Разливы нефти и загрязнение органическими растворителями — одна из сложнейших экологических задач. Идеальный сорбент должен сочетать высокую ёмкость поглощения, возможность многократного использования и низкую стоимость. Недавно исследовательская группа из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН добилась заметного прогресса в этом направлении: композитные аэрогели на основе оксида графена и меламина продемонстрировали рекордную сорбционную способность по отношению к различным органическим растворителям. Результаты опубликованы в журнале «Journal of Carbon Research» (издательство MDPI, IF=4.3).

Получение материала не требовало сложной технологии: водную суспензию оксида графена смешивали с насыщенным раствором меламина, обрабатывали ультразвуком и высушивали в вакууме при низкой температуре. Так — буквально за несколько стадий — получался готовый композитный аэрогель. Сканирующая электронная микроскопия показала, что внутри аэрогеля формируется взаимосвязанная трёхмерная пористая сеть, в которой листы оксида графена эффективно «склеены» меламином, образуя стабильный лёгкий каркас. Примечательно, что внешняя поверхность аэрогеля относительно плотная, тогда как внутренняя — высокопористая; это различие обусловлено градиентом температуры в процессе сублимационной сушки.

Анализ инфракрасных и рамановских спектров выявил взаимодействия между компонентами, выходящие за рамки простого физического смешения. Спектральные данные свидетельствуют о частичном восстановлении оксида графена и гидролизе сульфатных групп в ходе синтеза, а также о возможном образовании водородных и даже ковалентных связей между аминогруппами меламина и графеновыми листами. Термический анализ подтверждает это: для чистого аэрогеля оксида графена наблюдается гигантский экзотермический пик при ~220 °C (энтальпия ~1480 Дж/г), тогда как в композите этот пик смещается в область более низких температур, а собственный эндотермический пик меламина полностью исчезает — что указывает на сильное межмолекулярное взаимодействие.

Наиболее впечатляющие результаты дали испытания сорбционных свойств. Композитный аэрогель MM/GO поглощает до 86 г/г дихлорэтана, 66 г/г минерального масла и 58,5 г/г толуола. Для сравнения: литературные данные по гидрофобному кремнезёмному аэрогелю дают лишь 13,6 г/г для жидкого толуола, а углеродные аэрогели — ещё меньше. В шести циклах сорбции-десорбции н-гексана ёмкость аэрогеля не только не снижалась, но даже немного возрастала, а степень заполнения объёма стабильно превышала 90%, что говорит о хорошей структурной устойчивости.

Однако исследование выявило и принципиальное ограничение: вода частично «вымывает» меламин из аэрогеля. После первого цикла сорбции-десорбции воды ёмкость поглощения воды падает с ~60 до ~3,5 г/г и более не восстанавливается. Это означает, что меламин удерживается в матрице преимущественно за счёт нековалентных взаимодействий, которые разрушаются при контакте с водой. Для сорбции органических растворителей, не смешивающихся с водой, это ограничение не является критическим; однако при работе с водосодержащими системами возможность многократного использования материала существенно снижается.

В целом, работа предлагает простой в изготовлении и доступный по сырью графеновый сорбционный материал. Его нефтеёмкость находится на переднем крае среди аналогичных материалов, однако проблема вымывания меламина водой указывает на необходимость дальнейших исследований для поиска оптимального баланса между прочностью связей компонентов и сохранением сорбционной активности.

В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: С. Баскаков, Ю. Баскакова, А. Жарковская, Д. Черняев, Е. Кабачков, М. Жидков и Ю. Шульга.

S. A. Baskakov, Yu. V. Baskakova, A. V. Zharkovskaya, D. A. Chernyaev, E. N. Kabachkov, M. V. Zhidkov and Y.M.Shulga // Preparation and Sorption Properties of Graphene Oxide and Melamine Composite Aerogels // Journal of Carbon Research, IF=4.3, Q-2

https://doi.org/10.3390/c12030059