Ученые ТПУ вместе с коллегами из университетов Германии и США нашли новый способ функционализировать материал, не пропускающий электричество, который часто называют «белый графен», — гексагональный нитрид бора, не разрушая его и не изменяя его свойства. Благодаря новому способу исследователям удалось синтезировать на образцах «полимерный наноковер» с сильной ковалентной связью. Использование функционализации различными полимерами позволяет создавать материалы с новыми свойствами. Кроме того, материал поможет улучшить процесс изготовления экологичного водородного топлива.
Фото: катализатор с функционализированным гексагональным нитридом бора и наночастицами никеляСтатья «Полимерные ковры на гексагональном нитриде бора», посвященная исследованию, опубликована в высокорейтинговом журнале Small (Q1, ИФ 9.598).
По словам одного из авторов, профессора Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Рауля Родригеса, этот проект является продолжением масштабных исследований, посвященных модифицированию сверхтонкого проводника электричества и тепла — графена.
«Прогресс в исследованиях графена вызвал огромный интерес к новым типам 2D-материалов, таким как, например, гексагональный нитрид бора (hBN). Они обладают интересными оптическими, механическими и электронными свойствами. При этом графен является проводником, а гексагональный нитрид бора — диэлектриком (не пропускает электричество). Для его успешного использования материал необходимо было функционализировать ковалентно — добиться стабильной химической связи между функционализирующей молекулой и слоем»,
— говорит ученый ТПУ.
Нитрид бора — бинарное соединение бора и азота. При этом гексагональный нитрид бора или «белый графен» — это белый, похожий на тальк порошок, имеющий гексагональную, графеноподобную кристаллическую структуру. Он устойчив к воздействию высоких температур и химических веществ, имеет очень низкий коэффициент трения, является как отличным диэлектриком, так и хорошим теплопроводником, не токсичен. Материалы на его основе широко используются в реакциях промышленного органического синтеза, при крекинге нефти, для изготовления изделий высокотемпературной техники, производства полупроводников, средств для тушения возгораний и так далее.
Функционализации гексагонального нитрида бора посвящен ряд исследований. Обычно для этого процесса используют сильные химические окислители, которые не только разрушают материал, но и существенно изменяют его свойства. При этом способ, который используют ученые ТПУ вместе с зарубежными коллегами, позволяет этого избежать.
«Нам впервые удалось функционализировать ковалентно гексагональный нитрид бора без использования сильных химических составов и внесения новых дефектов в материал. В ранее предложенных подходах получается, по сути, другой материал с измененными свойствами — гидролизованный нитрид бора. Мы же использовали неизбежные нанодефекты, которые уже присутствуют в материале, не увеличивая их количество, и экологически чистый процесс фотополимеризации»,
— поясняет Рауль Родригес.
Отметим, для получения материала на тонкую подложку с гексагональным нитридом бора помещается специальный раствор с различными мономерами, например, стиролом, метилметакрилатом и другими. Затем под действием света, в процессе фотокатализа, полимер на поверхности гексагонального нитрида бора начинает «расти». Причем, его толщина зависит от длительности облучения. Химические свойства полученных структур изучали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, толщину слоя полимера — с помощью атомно-силовой микроскопии и эллипсометрии.
«Проведенные исследования показали, что в результате мы получили однородные и прочные "полимерные ковры", которые могут быть отделены от поддерживающей подложки и использованы отдельно. При этом это достаточно универсальная технология, так как для функционализации мы использовали разные мономеры, которые позволяют получать материалы со свойствами, оптимальными для использования в устройствах различного применения», — говорит ученый.
Один из перспективных вариантов использования нового материала, по мнению исследователей, это катализаторы для расщепления воды на водород и кислород. Для этого «полимерные ковры» выступали в качестве носителей активного вещества — матриц. В матрицу интегрировались наночастицы никеля. Полученные катализаторы использовались для электрокатализа. Исследования показали, что они могут быть успешно использованы в качестве альтернативы вместо дорогих платины или золота.
«Одна из важных проблем в катализе — заставить исходное вещество достичь активных центров катализатора. «Полимерные ковры» формируют трехмерную структуру, которая помогает увеличить площадь соприкосновения активных центров катализатора с водой и делает процесс получения водорода более эффективным. Это очень перспективно для производства экологически чистого водородного топлива. Проведенное исследование вызвало большой интерес у рецензентов журнала, и редактор предложил разместить графический материал из нашей статьи на обложке Small», — говорит Рауль Родригес.