- Информация о материале
Сотрудники Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН разработали технологию получения сорбентов на основе диоксида кремния, позволяющую улавливать все возможные красители, применяющиеся в промышленности.
Материалы об этой разработке – в газете "Наука в Сибири" (16.09.2025) и на сайте Российской академии наук (16.09.2025).
Потенциально такие сорбенты можно будет использовать в фильтрах для очистки сточных вод. Кроме того, некоторые из них подойдут для создания гибридных пигментов, необходимых для многих отраслей производства. Результаты исследования опубликованы в Journal of Molecular Liquids.
Краситель бриллиантовый зеленый, растворенный в воде
Необходимость в групповой и селективной сорбции из водных сред с каждым годом становится всё актуальней. Большое количество отходов текстильной и кожевенной промышленности попадает в сточные воды, которые нуждаются в очистке. На некоторых производствах для крашения используются органические растворители, для их создания также нужны сорбенты. Поэтому перед учеными стоит задача разработать сорбенты, которые будут эффективно функционировать во всех этих применениях.
Ученые ИНХ СО РАН создают сорбенты на основе диоксида кремния (кремнезема). Такие сорбенты обладают поверхностным зарядом за счет функциональных групп, которые играют ключевую роль в их сорбционной способности. Именно электрический заряд влияет на то, будет ли сорбент притягивать или отталкивать определенные загрязнители, такие как ионы тяжелых металлов или различные красители.
«Выбор диоксида кремния (SiO2) в качестве сорбента обусловлен его характеристиками: он обладает большой удельной поверхностью, отличными механическими свойствами и сильной адгезией к некоторым материалам. Развитая поверхность наночастиц SiO2 и возможность ее модификации позволяют варьировать их зарядовые характеристики в широком интервале. На способность поверхности кремнезема к преобразованию влияет содержание различных типов силанольных групп (Si–OH) и их концентрация. Эти группы определяют поверхностный заряд, который может изменяться в зависимости от рН среды, полярности растворителя, адсорбции ионных поверхностно-активных веществ и химической модификации, — рассказывает научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Никита Олегович Шапаренко. — Таким образом, кремнезем сочетает в себе физические и химические свойства, которые делают его уникальным сорбентом. Получение сорбентов на основе SiO2 с различными характеристиками открывает возможность сорбировать все возможные красители, которые используются в промышленности, как натуральные (антоцианы, куркумин, кармин и другие), так и синтетические (тартразин, метиленовый синий, бриллиантовый зеленый и так далее)».
В отличие от SiO2, полученного трудоемким методом Штобера (химическим методом), кремнезем, используемый в этом исследовании, доступен в неограниченном количестве и обладает воспроизводимыми характеристиками. Физические методы получения наночастиц в промышленных масштабах более предпочтительны ввиду экономической составляющей и хорошей воспроизводимости по размерам.
Исходные наночастицы диоксида кремния проявляют сорбционные свойства, но они селективны в малом количестве растворителей, и только к катионным красителям. Поэтому целью ученых ИНХ СО РАН было получить набор сорбентов с различным поверхностным зарядом. Для этого частицы диоксида кремния модифицировали двумя подходами: адсорбционным и химическим. В первом случае готовилась суспензия SiO2 в воде, куда вводились поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эти ПАВ сорбировались на поверхности частиц, формируя поверхностный заряд, что было подтверждено физико-химическими методами. Для получения разного поверхностного заряда использовали катионные и анионные ПАВ. Химическая модификация была направлена на создание частиц с положительным поверхностным потенциалом. Это достигалось путем аминирования исходных частиц: введением аминогруппы (—NHR, —NH₂) или ее замещенных форм в молекулы соединений.
Пленки красителей и их растворы в воде
Таким образом исследователям удалось получить набор из четырех перспективных сорбентов, имеющих широкий диапазон электрокинетического потенциала (от -35 до 40 мВ), который определяет поверхностные свойства частиц.
Затем эти четыре сорбента детально охарактеризовали различными физико-химическими методами. Варьируя условия модификации, ученые создали сорбенты с высокими значениями электрокинетического потенциала (поверхностного заряда). «По отдельности каждый из них можно применять в качестве селективного сорбента по электростатическому механизму. Однако для получения набора из сорбентов, который будет эффективен со всеми красителями и во всех средах, еще необходимы дополнительные исследования», — отметил Никита Шапаренко.
Ученый рассказал, что потенциально технологию получения сорбентов на основе диоксида кремния можно будет использовать в фильтрах для очистки сточных вод. Набор сорбентов способен селективно сорбировать катионные, анионные и сольвентные красители. Также некоторые из этих сорбентов подойдут для получения гибридных пигментов, которые необходимы во многих сферах промышленности. Не исключено, что в будущем модификация цветными красителями может быть использована в электрофоретических дисплеях.
«На данном этапе мы подробно исследуем электростатический механизм сорбции и количественно изучаем сорбцию различных красителей на полученных образцах. Также параллельно занимаемся формированием гибридных пигментов на основе модифицированных частиц диоксида кремния. Полученные пигменты будут подробно охарактеризованы различными физико-химическими методами. Следующие этапы работ будут посвящены исследованию адсорбции наночастиц-плазмоников (металлические или полупроводниковые наночастицы, способные взаимодействовать с электромагнитными волнами, вызывая колебания свободных носителей заряда. — Прим. ред.) на полученные сорбенты и пигменты. В качестве плазмоников мы планируем использовать гидрофильные и гидрофобные наночастицы серебра и золота», — прокомментировал Никита Шапаренко.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Диана Хомякова
Фото автора (1) и предоставлено исследователями (2)
Shaparenko N.O., Demidova M.G., Podlipskaya T.Yu., Maximovskiy E.M., Tatarchuk V.V., Bulavchenko A.I. “Surface functionalization and characterization of colloidal SiO2 particles with potential application in dyes sorption from aqueous, organic and microemulsion media” // J. Molecular Liquids, 2025, 427, 127409. DOI: 10.1016/j.molliq.2025.127409.
- Информация о материале
В журнале Chemical Engineering Journal (ИФ 13,2) опубликована статья с участием сотрудников Института Клямер Д.Д. и Басовой Т.В.
“Early monitoring of food spoilage using UV-enhanced Cu3N-Ag nanostructured electrodes”, Dasgupta U., Ghosh M., Gangopadhyay R., Klyamer D.D., Venkatesan P., Basova T., Doong R-A., Chowdhury A.D. // Chemical Engineering Journal. 2025, 521, 166394:1-11. DOI: 10.1016/j.cej.2025.166394. Посмотреть статью
Электрод, покрытый PAni/Cu3N-Ag, и его сенсорный отклик на аммиак (5-200 ppm),
измеренный без облучения и при облучении ультрафиолетовым светом
- Информация о материале
В журнале Colloids Surfaces A: Physicochemical and Engeneerig Aspects (ИФ 5,4) опубликована статья сотрудников Института Поповецкого П.С., Чубарь В.С. и Суляевой В.С.
“Highly conductive porous coatings based on gold organosols stabilized with the non-ionic biodegradable surfactant Ecosurf SA4", P.S. Popovetskiy, V.S. Chubar, V.S. Sulyaeva // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2025. 726. P3. 138109. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2025.138109. Посмотреть статью
Информация о статье и комментарии первого автора – в посте популярного научного Telegram-канала «Зоопарк из слоновой кости».
Схема получения концентрированных органозолей золота
- Информация о материале
«Сегодня стремительно развивается такая область, как диагностика заболеваний по составу выдыхаемого воздуха. Повышенное содержание оксида азота может свидетельствовать о серьёзном заболевании дыхательных путей, например о хронической обструктивной болезни лёгких», — поделилась научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Дарья Клямер.
Образцы сенсоров
Для работы были использованы сенсоры, в основе которых плёнки кобальтового фталоцианина (CoPc) — проводящий материал, благодаря которому можно определять низкие концентрации оксида азота. Его декорировали наночастицами иридия (Ir) и оксида иридия (IrO2), улучшающими работу сенсоров. Например, они обладают высокой каталитической активностью, увеличивают площадь поверхности таких сенсорных устройств, а чем больше поверхность, тем больше места для взаимодействия с газами и веществами, которые сенсор должен обнаружить.
Эти материалы наносят на подложки со встречно-штыревыми электродами и помещают в специальную газовую ячейку. В эту ячейку подают газовую смесь, близкую по химическому составу с выдыхаемым воздухом, и вводят концентрации оксида азота нужного диапазона. В данном исследовании он составлял от 10 до 100 ppb (parts per billion — количество частей вещества на миллиард частей смеси). Работа сенсора основана на изменении проводимости чувствительного слоя, которое фиксируется специальным электрометром.
Научные лабораторные эксперименты показали, что использованные учёными материалы способны выявлять оксид азота от 10 ppb в газовой смеси. Это очень низкая концентрация, означающая, что на каждый миллиард молекул других газов приходится всего десять молекул оксида азота. Для максимальной чувствительности наночастицы иридия должны быть равномерно распределены по поверхности, иметь одинаковый размер и работать в тандеме с фталоцианином.
Учёные нацелены на дальнейшую работу с образцами реального выдыхаемого воздуха, которая поможет в разработке измерительного прибора, применяемого в медицине.
Исследование проведено в рамках госзадания для Министерства науки и высшего образования РФ.
Подготовили студентки отделения журналистики ГИ НГУ
Ольга Кириленко и Алиса Новохатская для спецпроекта «Мастерская “НВС”» Фото авторов
Dorovskikh S.I., Klyamer D.D., Krasnov P.O., Shutilov R.A., Nasimov D.A., Prosvirin I.P., Volchek V.V., Zharkov S.M., Khubezhov S.A., Morozova N.B., Basova T.V.
Ultrafine Ir-IrO2 nanoparticles for decoration of cobalt phthalocyanine films as an active component for highly sensitive detection of nitric oxide
Materials Science And Engineering: B. 2025. V.314. 118074:1-12. DOI: 10.1016/j.mseb.2025.118074.
© ИНХ СО РАН 1998 – 2025 г.