Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали экологичный метод синтеза лантаноидов — редкоземельных металлов, используемых в материаловедении. Синтез проводится в присутствии ультразвука и не требует особых температурных условий в отличие от классических подходов, что позволяет легко масштабировать его для производственных задач.
Исследование «Гетерометаллические терефталаты редкоземельных элементов для создания люминесцентных сенсоров» поддержано Российским научным фондом. Результаты опубликованы в журнале Chemistry (ред. - Пресс-служба РНФ). Работы проводились на кафедре лазерной химии и лазерного материаловедения Санкт-Петербургского государственного университета с использованием оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ.
Редкоземельные металлы — это группа из 17 химических элементов, включающая 15 лантаноидов. Некоторые из этих соединений встречаются в земной коре даже чаще, чем свинец или золото, однако их сложно добывать и очищать, поскольку их концентрация в минералах крайне мала. Кроме того, практически всегда редкоземельные металлы присутствуют в рудах совместно, при этом их соединения близки по химическим свойствам, что существенно затрудняет их деление.
В число лантаноидов входят лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций, а также скандий и иттрий.
Редкоземельные металлы являются важнейшим компонентом современной микроэлектроники, активно используются в ядерной и космической отрасли, при создании катализаторов и лазеров. Именно поэтому добыча и качественная обработка этих элементов являются приоритетом для многих стран.
Химики Санкт-Петербургского госуниверситета давно занимаются синтезом и разработкой лантаноидов для улучшения их ключевых свойств и ранее предложили метод гибридных светящихся полимеров для датчиков и экранов гаджетов.
В своей новой работе специалисты СПбГУ разработали новый метод синтеза микрокристаллических металлорганических каркасных структур лантаноидов, относящихся к редкоземельным металлам.
Металлорганические каркасы (МОКС) — это гибридные материалы, объединяющие свойства неорганических и органических соединений. Их высокая пористость, регулируемая структура и функциональность открывают перспективы для катализа, газоразделения, сенсорики и медицины. Особенно перспективны МОКС на основе лантаноидов, которые обладают люминесценцией и применяются в светодиодах, биовизуализации и детектировании вредных веществ. Однако классические методы синтеза требуют высоких температур и длительного времени, что затрудняет их масштабирование.
«Мы разработали экологический метод синтеза мелкодисперсных материалов с применением ультразвука. К растворам солей лантаноидов, помещенных в ультразвуковую ванну, по каплям добавлялся раствор терефталата натрия. В результате реакции микрочастицы терефталатов лантаноидов выпадали в осадок и затем легко выделялись цетрифугированием. В отличие от традиционных методов предложенный нами подход не требует добавления поверхностно-активных веществ или органических растворителей, что делает процесс более экологическим»,— объяснил руководитель научной группы, доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ Андрей Мерещенко.
Этот метод легко масштабируется и может быть адаптирован для получения других металлоорганических соединений, открывая новые возможности в материаловедении. Полученные материалы обладают высокой удельной поверхностью, что делает их перспективными для сорбции и катализа, а люминесцентные свойства некоторых соединений позволяют использовать их в сенсорах для детектирования тяжелых металлов и органических соединений.
Благодаря контролируемой морфологии и структуре терефталаты лантаноидов могут найти применение в различных областях, включая охрану окружающей среды и фотонику. В дальнейшем ученые СПбГУ планируют более детально исследовать люминесцентные и каталитические свойства подобных соединений редкоземельных металлов, чтобы раскрыть их полный потенциал и сферы использования.
«Исследования с помощью электронной микроскопии показали, что частицы терефталатов большинства лантаноидов имеют форму овальных пластин размером от 2 до 10 мкм. Частицы терефталата лютеция имеют форму микроскопических кирпичиков, что подтверждает влияние структуры на форму кристаллов. Также мы обнаружили, что ультразвуковая обработка предотвращала агрегацию частиц, тогда как синтез без ультразвука приводил к образованию крупных неоднородных агрегатов»,— прокомментировал Андрей Мерещенко.
