Институт прикладной полимерной химии Фраунгофера IAP исследует химию поверхности биогенных гибридных материалов методом РФЭС

Репортаж от Wedoany，Институт прикладной полимерной химии Фраунгофера (Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP) использует рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФЭС) для исследования химического состояния и взаимодействий на поверхности и границах раздела биогенных углеродных материалов и органо-неорганических гибридных материалов; полученные знания могут поддержать целенаправленную разработку функциональных материалов для промышленного применения.

Биогенные материалы и гибридные системы могут применяться в водоочистке, каталитических процессах, электрохимических элементах и функциональных покрытиях, сочетая свойства природного сырья и неорганических материалов. Их функциональность, реакционная способность и стабильность зависят от химического состояния поверхности и границ раздела; традиционные методы анализа дают ограниченную информацию, и причины различий в свойствах, эффектов старения или неожиданного поведения часто остаются невыясненными.

В серии совместных исследований под руководством рабочей группы по химии материалов профессора Андреаса Тауберта в Потсдамском университете (Universität Potsdam) были разработаны биогенные углеродные и гибридные материалы для водоочистки; Фраунгофер IAP предоставил РФЭС-характеризацию для анализа состава поверхности, химического состояния и взаимодействий на границах раздела. В качестве возобновляемого сырья для получения биоугля использовались кофейная гуща и апельсиновая кожура, которые затем соединялись с глинистыми минералами и оксидами металлов.

Специалист Фраунгофер IAP по анализу поверхности д-р Джиён Ким с помощью РФЭС исследует, как термическая обработка и образование гибридной структуры влияют на химию поверхности и границ раздела: поверхность материала облучается рентгеновскими лучами, измеряется энергия вылетающих фотоэлектронов. По словам Кима, РФЭС позволяет получать информацию о самых верхних 1–10 нанометрах материала, при этом требуется минимальная подготовка образца — без растворения или химического разложения.

Химия материалов из природного сырья сложна. При термической обработке биомассы, такой как кофейная гуща или апельсиновая кожура, одновременно протекает множество реакций, образуются углеродные материалы с неоднородной поверхностной химией, которые невозможно описать единой структурой. РФЭС позволяет различать сложные поверхности и делать выводы об их формировании и последующем применении. Для биоугля из кофейной гущи РФЭС показывает, что термическая обработка приводит к перестройке поверхностного углерода с образованием более высокоуглеродной, графитоподобной структуры, которая, однако, остаётся неоднородной и содержит множество дефектных центров, способных содействовать взаимодействию с фармацевтически активными веществами, красителями и другими органическими загрязнителями. Тауберт отмечает, что знание точного химического состава помогает понять строение материала и отслеживать изменения при применении в водоочистке или электрохимических элементах, которые трудно обнаружить другими методами.

В биогенных гибридных материалах органические и неорганические компоненты соединены на микроскопическом уровне, и процессы на границах раздела влияют на последующие свойства. Ким говорит, что знать только элементы недостаточно — ключевой вопрос в том, как компоненты взаимодействуют друг с другом и формируется ли на границе раздела новая химическая среда; РФЭС делает эти взаимодействия видимыми. В гибридной системе из биоугля апельсиновой кожуры, глины и диоксида титана при термической обработке на границе раздела образуются химические связи с участием титана, кислорода, углерода и алюминия; в азот-модифицированном фотокатализаторе РФЭС позволяет различить азот, встроенный в титансодержащую неорганическую структуру, и остаточные азотсодержащие органические соединения. Такие материалы способны как связывать загрязнители, так и разлагать их под действием света благодаря фотокаталитическим свойствам.

С помощью РФЭС Фраунгофер IAP поддерживает предприятия и исследовательских партнёров в понимании сложной поверхностной химии биогенных материалов, выявлении причин различий в свойствах, включая колебания производственных партий, процессы старения, модификацию поверхности и взаимодействие с загрязнителями и другими молекулами, чтобы оптимизировать рецептуры материалов и производственные процессы и разрабатывать надёжные, воспроизводимые материалы, пригодные для промышленного применения. Интерес промышленности к возобновляемому сырью растёт, и эти результаты демонстрируют потенциал совместных исследований в области материалов со сложными поверхностями и границами раздела — биогенных углеродных материалов, катализаторов, покрытий, полимерных композитов и других.