gh Нанопористый углерод – сделать и использовать

Удивительные технологии приходится изобретать ученым, чтобы сделать нанопористый углеродный материал, причем с заранее заданным размером пор. Зато, если получится – а у сотрудников легендарного питерского Физтеха, то есть Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, это получается, и весьма успешно, то уж за охотниками использовать замечательный нанопористый материал дело не станет. Потому возможности его если не безграничны, то очень велики. Можно с его помощью удалять из воды супертоксиканты, а можно - сделать на его основе суперконденсаторы. Причем приставка «супер» в обоих случаях – значимая.

Сущность метода, разумеется, в простейшем изложении, такова. Порошки карбидов смачивают спиртом и прессуют, чтобы придать будущему изделию нужную форму. Затем его «пропитывают пироуглеродом». За этими словами – довольно сложный процесс, в ходе которого заготовку сильно нагревают, пропуская через нее природный газ – метан. Часть метана при этом разлагается на водород, который, естественно, улетает, и углерод, который осаждается на поверхности частиц карбида. Но это, можно сказать, еще цветочки. Потому что потом начинается самое интересное и самое неприятное.

«Пропитанную» заготовку нагревают еще раз, но теперь – в атмосфере хлора. Более активный хлор буквально «выпихивает» из карбидов атомы карбидообразующих элементов, в виде их летучих хлоридов и, покидая место действия, выходит из сферы реакции. А углерод остается.

Разумеется, атомы углерода немедленно собираются вместе, образуя довольно сложные структуры, отдельные элементы которых напоминают плоские слои, как в графите, только меньшего размера, этакие макромолекулы. После этого изделие можно еще раз отжечь – выдержать при высокой температуре, но уже в атмосфере инертного газа, чтобы не сгорело. При этом аморфный углерод имеет шанс «перестроиться» в кристаллические структуры в виде все тех же графитоподобных монослоев. В результате все изделие представляет собой углеродный каркас, пронизанный порами трех видов: микро, мезо, макропорами.

При разработке метода авторы использовали и уже известные подходы, и собственные «ноу-хау». Ведь ни в статьях, ни в патентах, как правило, нет тех тонкостей, которые только и позволяют реализовать написанные на листе бумаги химические реакции. Поэтому в ходе работы ученым пришлось провести огромную исследовательскую работу, чтобы выяснить, как параметры тех или иных технологических стадий влияют на свойства продукта, и научиться управлять процессом чтобы получать на выходе изделие с нужными свойствами: пористостью, размерами пор и их распределением, удельной поверхностью и прочностью. Кроме того, авторам пришлось даже разработать новые методы рентгеноструктурного анализа, чтобы определить параметры получающихся наноструктур. А еще нужно было вести процесс так, чтобы заданное количество пор оставалось «открытыми» - замкнутые поры для адсорбции непригодны.

В конечном итоге ученым удалось разработать научные основы технологии, которая позволяет получать нанопористые углеродные материалы с заранее заданными свойствами и заранее заданной формы – таблетки, мембраны, трубы, порошки и так далее. Возможности некоторых видов изделий из подобных материалов авторы уже опробовали. Например, выяснили, что нанопористый углерод позволяет очистить воду от примесей несимметричных диметилгидразинов – крайне токсичного ракетного топлива. Токсикант сорбируется в порах нанопористого углерода и, два-три раза пропустив через них загрязненную воду, можно очистить ее по крайней мере до уровня ПДК. Что же касается суперконденсаторов (электрохимических конденсаторов большой емкости), то важнейшая их часть – это нанопористый электрод из углерода с высокоразвитой поверхностью.

***