Российские ученые создали "умные" керамические фильтры для промышленности
Поделиться
Дата публикации: 17 апреля 2019
Электропроводящая керамика широко используется для создания керамических мембран, незаменимых в пищевой и химической промышленности, в полиграфии и при производстве текстиля, в энергетике и многих других отраслях, где есть необходимость очистки, разделения жидкостей и водоподготовки. Такие мембраны рассчитаны на контакт с различными химическими веществами и могут использоваться при повышенных температурах и высоком давлении, а также для сохранения высокой чистоты процесса.
Учёные СФУ создали новый нанокомпозитный материал, который улучшит свойства изделий из электропроводной керамики и электрохимических датчиков. Для этого они применили технологию покрытия фильтрующих мембран, изготовленных из нановолокон оксида алюминия, углеродом. Такие «умные» мембраны смогут селективно пропускать одни ионы и «отвергать» другие. Результаты исследования опубликованы в журнале Thermochimica Acta
Разработанный учёными композитный глиноземно-углеродный материал производится путём некаталитического безметаллового химического парового осаждения пропана на нановолокнах глинозема. В результате на поверхности нановолокон из оксида алюминия образуется многослойный углерод. Средняя толщина углеродного слоя увеличивается более чем в два раза (до 2–3 нанометров) если увеличить время синтеза от 60 до 600 секунд. Полученные в итоге углеродные структуры содержат спиртовые, карбоксильные и карбонильные функциональные группы, а XPS-анализ показывает уменьшение концентрации кислородсодержащих групп с увеличением времени синтеза. В качестве основы мембраны исследователи взяли необычный материал нафен, который был впервые получен компанией ANF Technologies (Эстония). Он представляет собой пучок, состоящий из множества нановолокон оксида алюминия. Отдельное волокно имеет диаметр 10—15 нанометров, а его длина может составлять до нескольких сантиметров, при этом все волокна структурированы и уложены очень ровно.
Для изготовления мембраны нановолокна отделяют друг от друга, помещают в воду, осуществляют перемешивание с использованием магнитной мешалки и ультразвукового воздействия. Затем полученную субстанцию фильтруют через подложку с крупными порами, добиваясь хаотичного укладывания волокон нафена. Полученная структура подвергается тепловому воздействию для придания механической прочности. Следующим важным шагом для придания мембране проводящих свойств является нанесение на «хаотически» уложенные нановолокна углеродного слоя. В специальной печи производится химическое осаждение из газовой фазы при помощи паров спирта и инертного газа. В результате ряда химических реакций образуется углерод, который «садится» на поверхность мембраны. Результатом этих манипуляций становится способность мембраны проводить электрический ток.
«Нашей рабочей группой предложен новый тип керамических мембран с ионной селективностью на основе нафена, покрытых слоем углерода. Разрабатывая технологию мембран с управляемой ионной селективностью, мы обнаружили, что дисперсность углерода отражает пористость мембраны. Регулируя время осаждения, мы научились управлять пористостью мембраны – т.е. формировать поры нужного размера для выделения нужных ионов, а пористость мембраны оценивать как по методу адсорбции азота, так и на основе синхронного термического анализа. Кроме того, мы показали, что в порах керамических мембран на поверхности углерода есть функциональные группы, которые и определяют механизм ионоселективности мембраны. Наконец, для нановолокон оксида алюминия мы подтвердили упорядочивающее действие поверхности на осаждаемый углерод. Оказалось, что на поверхность нановолокон углерод осаждается в виде графита, а далее уже на графит оседает слабоупорядоченный углерод в соответствии с температурой осаждения. Т.е. тонкие слои углерода на оксиде алюминия формируются с более совершенной структурой чем толстые слои. Этот вывод открывает новые перспективы не только в композитных материалах, но и в наноэлектронике графеновых структур», — сообщил один из авторов исследования, доцент кафедры композиционных материалов и физикохимии металлургических процессов СФУ Михаил Симунин.
Помимо учёных СФУ участие в исследовании приняли исследователи Санкт-Петербургского государственного университета, Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», Института вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН, а также Института химии и химической технологии СО РАН.