Скло/Au композиційні мембрани з наночастинками золота, синтезованими всередині пор для селективного транспортування іонів

Денис Лебедєв

1 Санкт-Петербурзький державний університет, наб. Університетська, 13Б, Санкт-Петербург 199034, Росія; ur.liam@omh14coo (М.Н.); [email protected] (В.К.); [email protected] (М.П.)

Максим Новомлинський

Володимир Кочеміровський

Ілля Рижков

2 Інститут обчислювального моделювання СО РАН, Академгородок 50/44, Красноярськ 660036, Росія; ur.nsark.mci@iir

3 Сибірський федеральний університет, Свободний 79, Красноярськ 660041, Росія

Ірина Анфімова

4 Інститут хіміки силікатів Гребенщикова РАН, наб. Адм. Макарова, 2, Санкт-Петербург, 199155, Росія; ur.liam@i-avomifna (I.A.); ur.xednay@2rtna (Т.А.)

Максим Панов

Тетяна Антропова

Анотація

1. Вступ

Завдяки розвитку сучасних технологій за останні роки кількість досліджень транспорту іонів у мембранах значно зросла. У свою чергу, мембранні технології знайшли застосування у важливих галузях науки та промисловості, таких як обробка води [1,2]; поділ сумішей та виробництво чистих речовин [3,4]; пристрої електрохімічного перетворення та накопичення енергії [5,6]; хімічні датчики та біосенсори [7]; мікрофлюїдика та біоінженерія [8,9]; тощо. Незважаючи на величезний потенціал застосування мембран, існує ряд факторів, що обмежують їх використання, наприклад, здатність до відокремлення (відторгнення), забруднення та зменшення потоку. Тому необхідно контролювати транспортні та селективні властивості мембрани, щоб захистити її від будь-якого впливу, спричиненого цими обмеженнями. Існує два основних способи вплинути на селективні властивості мембрани: зміна структури пір (геометрія та фізико-хімічні властивості поверхні) [10,11], у тому числі з використанням композитних мембран [12]) або зовнішнє опромінення (трансмембранний потенціал, зовнішні електричні поля [13,14,15], рН розчину [16], температура, випромінювання тощо).

Нанокомпозитні мембрани активно розроблялися в останнє десятиліття [17]. Залучення наноструктур може поліпшити проникність, селективність та протиобрастаючі властивості мембрани для поліпшення процесів фільтрації. Одним з найбільш перспективних підходів до отримання таких композиційних матеріалів є утворення наночастинок усередині пористої структури мембрани. Як і в цілому щодо нанотехнологій [18], існують два основні методи [17] утворення наночастинок усередині мембранних пір: “зверху вниз” - об’ємна модифікація шляхом змішування (так звані змішані матричні мембрани) і “знизу вгору” - поверхня модифікація. При виготовленні масивно модифікованих нанокомпозитних мембран наночастинки диспергуються в однорідному полімерному розчині попередника до остаточного процесу формування [19]. Однак цей метод важко використовувати, наприклад, при синтезі неорганічних твердих мембран. Техніка модифікації поверхні є найбільш зручним методом у цьому випадку [11]. Техніка модифікації поверхні займається осадженням наночастинок на мембрану.

Силікатні (висококремнієві) пористі скла (ПГ) - це наноструктури канального типу [20] з термічною, хімічною та мікробіологічною стабільністю у поєднанні з контрольованими структурними характеристиками поверхні [21,22,23]. Окремої уваги заслуговує програма PG для розділення рідких сумішей шляхом зворотного осмосу. Цей метод знайшов застосування у знесоленні води, санітарному очищенні води в побуті, регенерації води з продуктів життєво важливих функцій у космосі, концентрації радіоактивної солі тощо. Використання матеріалів ПГ виявляється досить ефективним у медичних цілях [24,25] (наприклад, Мембрани PG можуть використовуватися як гемофільтри та в апаратах штучної нирки). ПГ можна заповнювати різними речовинами, включаючи наночастинки металів або наноструктури, та/або піддавати дії лазерного випромінювання для забезпечення їх застосування в оптиці, мікроелектроніці, мікрофлюїдіці, сенсориці, сонячній техніці, екології тощо (див. [26,27,28, 29,30,31,32] та огляди в них).

У цій роботі золото вибрано як метал, який ми вносимо в пори мембрани за допомогою LCLD. По-перше, золото, як і діоксид кремнію, є біологічно та хімічно інертним матеріалом, тому існує перспектива застосовувати наші результати в медичних цілях. По-друге, наночастинки Au мають плазмонний резонанс у видимій частині оптичного спектра, що відкриває можливості для використання отриманих матеріалів у галузі надчутливих сенсорів [40].

Основною метою даної роботи є синтез пористого скла композиційних мембран з наночастинками Au всередині пір (композитна мембрана PG/Au) за допомогою лазерного методу та вивчення їх іонно-транспортних властивостей у модельних розчинах. Ці дослідження дозволять краще зрозуміти, як склад композиційних мембран впливає на їх властивості.

2. Матеріали та методи

2.1. Синтез матеріалу PG

Зразки пористого скла (PG) (у вигляді плоскопаралельних полірованих пластин розміром 10 × 10 × 1,0 мм 3) були приготовані хімічним травленням фазового відділеного боросиликатного скла наступного складу (за аналізом, мас. %): 6,74 Na2O, 20,52 B2O3, 0,15 Al2O3, 72,59 SiO2, з двокадровою структурою в 3 М розчинах HCl та 0,5 М KOH послідовно, з подальшим промиванням у дистильованій воді та сушінням при 120 ° C в атмосфері повітря, як описано у [41,42]. Для вивчення параметрів пористого простору був використаний класичний метод рівноважної адсорбції та десорбції ізотерм азоту при 77 К. Пористість та середній діаметр пір зразків PG були

0,5 (см 3/см 3) та 25 нм відповідно [43]. На рис. 1а показано типове скануюче електронно-мікроскопічне (СЕМ) зображення пористої мікроструктури скла, яка є системою каналів звивистості, пористість матеріалу в цьому випадку становила 52–56%. Пористі скла виготовляли в Інституті хіміки силікатів ім. Гребенщикова РАН (державне завдання, проект № 0097-2019-0015).