Материалы на основе металлооксидных аэрогелей: методы получения, функциональные свойства, перспективные применения

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы создания новых металлооксидных аэрогелей и функциональных материалов на их основе. Металлооксидные аэрогели – особый класс наноматериалов, которые благодаря необычным свойствам – крайне высокой пористости и удельной площади поверхности, крайне низкой плотности и теплопроводности, а также высокой звукоизолирующей способности и, зачастую, прозрачности – позволяют решать ряд актуальных прикладных задач, связанных с необходимостью снижения энергопотребления и уменьшения экологических рисков. Материалы на основе аэрогелей являются объектом внимания широкого круга исследователей – химиков, физиков, материаловедов, – однако физико-химические и технологические основы получения аэрогелей до настоящего времени достаточно слабо изучены. Проект 2017 представляет собой самостоятельное масштабное междисциплинарное исследование, важное для развития науки о материалах, которое является в то же время логическим продолжением Проекта 2014 и включает использование опыта и знаний специалистов в области органической и металлорганической химии, неорганического материаловедения и сверхкритических технологий для создания новых типов металлооксидных аэрогелей. Ключевой фундаментальной задачей проекта является создание новых методов конструирования каркаса и модификации поверхности металлооксидных аэрогелей с использованием подходов органической, металлоорганической химии и материаловедения. В ходе выполнения проекта будут получены следующие основные научные результаты: 1. Будут созданы новые типы суперкислотных катализаторов на основе одно- и двухкомпонентных аэрогелей, включающих в себя диоксид олова, с высокой каталитической активностью в промышленно важных процессах олигомеризации и изомеризации алкенов, имеющих большое значение в промышленном производстве изооктана – компонента высокооктанового топлива. 2. Будут разработаны методы получения новых люминесцентных аэрогелей на основе оксидов редкоземельных металлов и люминесцентных комплексных соединений. Будут впервые получены аэрогели на основе индивидуальных и двойных оксидов редкоземельных металлов (Yb2O3, Eu2O3, Gd2O3), не содержащие диоксида кремния. Будут получены аэрогели на основе SiO2 и Al2O3, модифицированные люминесцентными комплексными соединениями (смешанными карбоксилатами редкоземельных и переходных металлов, комплексами алюминия с конденсированными гетероциклическими лигандами), обладающие высокой интенсивностью люминесценции в видимом диапазоне и оптической прозрачностью. Полученные люминесцентные аэрогели необходимы для решения задачи визуализации воздушных потоков. 3. Будут получены новые типы ферромагнитных аэрогелей на основе магнетита и феррита никеля. В результате решения этой задачи планируется получить аэрогели, левитирующие в магнитном поле. 4. Будут разработаны новые методы синтеза многокомпонентных аэрогелей, в которых неорганическая (SiO2) или органическая (резорцин-формальдегидные полимеры, агар, желатин) матрица будет модифицирована оксидами металлов (алюминия, хрома, железа, редкоземельных элементов). Создание подобных композитов позволяет сочетать в одном материале высокую удельную площадь поверхности, свойственную аэрогелям на основе SiO2 и резорцин-формальдегидных полимеров, и функциональные характеристики (каталитическую активность, люминесцентные и магнитные свойства), присущие неорганическим оксидным модификаторам. Необходимость решения данной задачи связана также с тем, что большинство аэрогелей (например, аэрогели на основе Al2O3, TiO2) отличаются низкими прочностными характеристиками. Основным результатом выполнения Проекта 2017 будут являться новые воспроизводимые методы получения уникальных неорганических и гибридных органо-неорганических материалов на основе аэрогелей, обладающих высокими каталитическими, люминесцентными и магнитными свойствами. Будут существенно развиты подходы, разработанные нами в рамках выполнения Проекта 2014. Таким образом, в результате выполнения работ по Проектам 2014 и 2017 будет сформировано новое научное направление в материаловедении – направленное конструирование каркаса и модифицирование поверхности металлооксидных аэрогелей для придания им новых функциональных свойств (гидрофобности, оптической активности и прозрачности, механической прочности, магнитных и люминесцентных свойств, высокой сорбционной емкости и селективности, каталитической активности). Развитие этого направления имеет очевидные долгосрочные перспективы для развития высокотехнологичных областей промышленности и здравоохранения.