04 Марта 2020

3D-углеродные нанотрубки: новые материалы и их свойства

Исследование 3D материалов на основе углеродных нанотрубок

Максим Сер­ге­е­вич
По­ля­ков 

Старший преподаватель кафедры строительной физики и химии СПбГАСУ, к. хим. н. Максим Поляков изучает структурные и функциональные свойства 3D-материалов на основе углеродных нанотрубок (УНТ).


Результаты этих исследований представлены в статье «Гибридные материалы на основе 3-фенилкумарина и одностенных углеродных нанотрубок, полученные методами 3D-, ковалентной и нековалентной функционализации, как сенсорные слои для детектирования газов», опубликованной в журнале «Applied Surface Science».


Максим Сергеевич согласился ответить на несколько вопросов.

– Скажите, какова актуальность Ваших исследований?

– Сегодня наша планета страдает от отходов промышленных производств, воздух и вода наполнены вредными веществами, а в результате сжигания мусора выделяются диоксины, которые приводят к распространению онкологических заболеваний. Учёные ищут способы возврата экологического равновесия и сохранения всего богатства растительного и животного мира. Новые материалы, которые были нами получены и исследованы, могут быть использованы в качестве более ёмких газовых адсорбентов и адсорбционно-резистивных газовых сенсоров на ядовитые газы.

– Почему Вас заинтересовала именно эта тема?

– Опубликованная работа – продолжение моих диссертационных исследований, а также часть проекта 18-33-00029 «Структурные и функциональные свойства 3D-материалов на основе углеродных нанотрубок», поддержанного в 2018 году Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ) в рамках программы «Мой первый грант». Я занимаюсь данной тематикой, поскольку углеродные нанотрубки (УНТ) являются важным классом неорганических материалов, имеют большое значение и высокий потенциал для получения новых композиционных материалов.

Исследования о гибридных материалах в петербургском архитектурно-строительном

Схема получения гибридных материалов SWCNT

Значительный исследовательский интерес к углеродным нанотрубкам связан с их уникальными электронными и структурными свойствами. Данные свойства можно «регулировать» и «улучшать» путем модификации их поверхности различными допантами (наночастицами металлов, их оксидов, ароматическими соединениями, полимерами и пр.) с помощью методов ковалентной и нековалентной функционализации. Подобных работ в научной литературе немного, поэтому потенциал для исследования данных материалов довольно велик.

– А чем характеризуются углеродные нанотрубки?

– Углерод как вещество может иметь несколько типов кристаллических решёток. Наиболее известны алмаз и графит. Несколько десятилетий назад были открыты еще несколько типов: фуллерены (атомы углерода составляют кристаллическую решетку в виде сферы), графен (однослойный графит, представляющий собой один плоский лист) и нанотрубки, которые имеют цилиндрическую форму. Углеродные нанотрубки также бывают однослойными, двухслойными и многослойными, различаясь по числу цилиндрических слоёв.

– Какие свойства углеродных нанотрубок рассматриваются в Вашей работе?

– Различными методами функционализации были синтезированы гибридные материалы с использованием одностенных углеродных нанотрубок (УНТ) и органических молекул-линкеров 3-фенилкумарина (PhC).

Изучено влияние способа модификации поверхности УНТ на степень их функционализации и сенсорные свойства.

– Что подразумевается под «сенсорными свойствами»?

– В данном случае сенсорным откликом является изменение сопротивления материала при адсорбции на его поверхности различных молекул из воздуха. Обычные нанотрубки проявляют такую чувствительность по отношению к аммиаку, оксидам азота, углекислому газу, сероводороду и даже влажности воздуха.

Относительный сенсорный отклик тонких слоев исходных нанотрубок (SWCNT), нанотрубок, модифицированных азидными группами SWCNT-N3 и их гибридов по отношению к аммиаку при концентрации 10

Относительный сенсорный отклик тонких слоев исходных нанотрубок (SWCNT), нанотрубок, модифицированных азидными группами SWCNT-N3 и их гибридов по отношению к аммиаку при концентрации 10

Цель наших исследований – улучшить, «усилить» эти сенсорные свойства путем модификации поверхности УНТ различными молекулами. В конкретной работе мы предложили не только модифицировать поверхность нанотрубок, но и изменить их морфологические характеристики путем получения 3D-материала (*см. ниже рис.1).

– И какие результаты Вами получены?

– При адсорбции малых концентраций аммиака (*см. рис. 2) в рамках предельно допустимой концентрации (ПДК) происходит увеличение сопротивления углеродных слоев.

Схематичное изображение 3D-структуры SWCNT, соединённых органическими молекулами-линкерамиИсследования композитных материалов

Рис. 1, рис. 2 – схематичное изображение 3D-структуры SWCNT, соединённых органическими молекулами-линкерами

Увеличение сенсорного отклика для гибридных материалов по сравнению с исходными нанотрубками составило десятки раз, то есть полученные нами материалы обладают более высокой сенсорной чувствительностью и способны регистрировать изменения концентрации аммиака ниже ПДК.

Текст: Елена Шульгина

Узнайте больше об исследованиях кафедры строительной физики и химии, о преподавателях и учебных дисциплинах

Факультеты

  • Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
    Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
  • Автомобильно-дорожный факультет
    Автомобильно-дорожный факультет
  • Факультет экономики и управления
    Факультет экономики и управления
  • Архитектурный факультет
    Архитектурный факультет
  • Строительный факультет
    Строительный факультет
  • Институт безотрывных форм обучения
    Институт безотрывных форм обучения
  • Факультет судебных экспертиз и права в строительстве и на транспорте
    Факультет судебных экспертиз и права в строительстве и на транспорте
Форма обратной связи:
Ваше имя:
Ваш e-mail:
Сообщение:
Введите код с картинки: Обновить картинку

Обновить картинку