Создан новый метод синтеза химических соединений для устройств накопления энергии и опреснения воды

Ученые разработали подходящий для промышленного производства способ получения максенов — слоистых соединений, которые используются в аккумуляторах, устройствах защиты от электромагнитных помех и приборах для очистки и опреснения воды. Авторы использовали технологию синтеза в плазме, которая не требует высоких температур и опасных исходных реагентов и позволяет получить чистые максены без лишних примесей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plasma Chemistry and Plasma Processing.

Максены представляют собой двумерные материалы на основе неорганических соединений. В их состав могут входить различные компоненты: металлы, неметаллы и углерод; азот и металлы; или металлы, углерод и азот. Такие вещества используются в энергетике (в накопителях энергии, суперконденсаторах, химических источниках тока, солнечных батареях), наноэлектронике, устройствах опреснения морской воды, авиастроении (в покрытиях для военных самолетов). Обычно максены получают путем травления токсичных химических веществ, но этот традиционный способ имеет ряд недостатков: реакцию необходимо проводить при высоких температурах, а после ее проведения — утилизировать опасные отходы и очищать максены от образующихся в процессе травления примесей.

Химики из Института химии растворов имени Г.А. Крестова РАН (Иваново) нашли способ получать максены высокого качества. Для этого авторы использовали плазму — ионизированный газ, находящийся при высокой температуре, — на основе четыреххлористого углерода. Это соединение при комнатной температуре представляет собой бесцветную жидкость, которая начинает кипеть и превращаться в газ при температуре 76,5°С.

Исследователи поместили в эту среду две титановые проволоки: одна использовалась как катод (положительно заряженный элемент), а другая — как анод (отрицательно заряженный элемент). Затем через них пропустили короткий электрический разряд, под действием которого образовалась плазма, направленная от одной проволоки к другой. Титан вблизи плазмы плавился, образуя в растворе двумерные структуры максенов. Раствор высушивали при комнатной температуре, тем самым получая порошок максенов. Анализ химического состава порошка показал, что синтезированные таким образом максены не содержат оксидных примесей, которые ухудшают электромагнитные свойства материалов.

Основное преимущество предложенного метода состоит в том, что состав максенов можно легко варьировать, заменяя материал электрода другим металлом (например, молибденом, хромом, вольфрамом), чтобы получать материалы с заданными целевыми свойствами: электрическими, магнитными, оптическими и биологическими. Кроме того, такой подход прост в исполнении, легко масштабируем, не требует опасных реагентов, утилизации побочных продуктов и поддержания высоких температур во время синтеза.

«Предложенный метод — наиболее легкий способ синтеза максенов без примесей. В дальнейшем мы планируем в одностадийных процессах получать мембранные композиты, содержащие максены, которые могут использоваться как компактные опреснители соленой воды», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Сироткин, кандидат химических наук, научный сотрудник ИХР РАН.