Ученые получили катализатор для очистки почвы, воды и нефти в условиях перегрева

Ученые предложили способ, позволяющий превратить синтетический аналог природного минерала гидроксиапатита в катализатор для очистки нефти, почвы и воды от загрязняющих веществ. Для этого авторы в горячем растворе и при высоком давлении ввели в структуру минерала остатки молибденовой кислоты. Получившийся материал стал способен вступать в химические реакции, но при этом сохранил большое количество пор, благодаря которым может «удерживать» загрязнители. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.

Гидроксиапатит — это природный минерал, способный образовывать пористую структуру, благодаря которой его было бы удобно использовать в качестве поглотителя загрязняющих веществ и в составе экологически чистых катализаторов для очистки нефти. Однако сам по себе гидроксиапатит практически не способен участвовать в превращениях, поэтому ученые пытаются модифицировать его химическими группами, которые сделали бы его активным. Так, например, исследования показали, что гидроксиапатит становится эффективным катализатором, если добавить в него молибдат-ионы — остатки молибденовой кислоты, которые активно обмениваются электронами с другими веществами. Поэтому ученые ищут оптимальный способ получать гидроксиапатит, содержащий молибдат-ионы.

Исследователи из Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН (Москва) с коллегами предложили способ получения пористых нанопорошков гидроксиапатита с молибдат-ионами, основанный на гидротермальной обработке. Авторы получили синтетический аналог минерала из солей-«предшественников», выдерживали его при температурах от 140°С до 180°С в течение одного-трех часов и добавляли к нему разное количество солей молибдена, чтобы изучить, как концентрация молибдат-ионов влияет на свойства материала.

Оптимальными оказались условия, когда гидроксиапатит обрабатывали при 140°С с добавлением к нему 1,5% молибдат-ионов по отношению к общему количеству вещества. В этом случае структура материала получалась однородной и с максимальным количеством наноразмерных пор (величиной в сотни тысяч раз меньше миллиметра). Если же молибдат-ионов было больше, а температура достигала 180°C, материал разделялся на два компонента, один из которых состоял из наноразмерного гидроксиапатита, а второй — из молибдата кальция. Последний образовывал более крупные кристаллы и поры между ними, поэтому средняя пористость материала снижалась почти в три раза, и его свойства как катализатора и поглотителя загрязняющих веществ ухудшались.

Кроме того, авторы на основе полученных результатов «обучили» искусственную нейронную сеть прогнозировать текстуру еще не созданных на практике материалов на основе гидроксиапатита. Такой алгоритм можно будет использовать на производствах, чтобы подбирать условия синтеза для получения материала нужной пористости.

«Наше исследование показало, каким образом можно управлять структурой гидроксиапатитов, содержащих молибдат-ионы. Предложенный подход поможет упростить получение таких материалов, перспективных для очистки нефти и используемых в качестве катализаторов для иных процессов, например, расщепления загрязнителей почвы и воды. В дальнейшем мы планируем исследовать каталитическую активность таких материалов для разных процессов «зеленой химии», например, для окисления бензилового спирта и глицерина при мягких условиях», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Маргарита Гольдберг, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИМЕТ РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Института геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского РАН (Москва), Казанского федерального университета (Казань), Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва), Уральского федерального университета (Екатеринбург) и Белгородского государственного национального исследовательского университета (Белгород).