В Российской Федерации разработана инновационная технология формирования металлоорганических каркасных структур под воздействием ультрафиолетового излучения. Новый фотохимический подход, по заявлениям создателей, практически не имеет недостатков.
Ирина Медведева
Лиганды. Иллюстрация. Источник: commons.wikimedia.org
Отечественные специалисты в области химии предложили усовершенствованный способ получения металлорганических каркасов — ценных мелкопористых материалов, состоящих из ионов металлов, соединённых с лигандами — органическими молекулами или ионами, которые связываются центральным атомом, металла в комплексное соединение, образуя координационную связь за счёт донорства электронной пары.
Удалось реализовать более эффективный синтез MOF благодаря ультрафиолету
В основе технологии лежит использование ультрафиолетового света. Об этом проинформировали ТАСС в пресс-службе Министерства науки и высшего образования России.
«Сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН (ИФХЭ РАН) совместно с коллегами из Кольского научного центра РАН (КНЦ РАН) разработали оригинальную методику синтеза металлорганических каркасов (MOF) с применением ультрафиолетового облучения. Получаемые пористые соединения, образованные металлами и органическими лигандами, востребованы в самых разных сферах: катализе, поглощении газов, создании химических датчиков и люминесцентных материалов. Впервые в мировой практике удалось реализовать синтез MOF, который благодаря ультрафиолету позволяет значительно сократить временные и энергетические затраты», — отметили в министерстве.
Металлорганические каркасы находят всё более широкое применение в неорганической и координационной химии из-за своих уникальных характеристик, включая использование в автолюминесцентных системах, создании эффективных осветительных приборов, сенсорных устройствах и органической электронике.
Каркасные структуры на основе альфа-активных трёхвалентных актинидов также используются для безопасной утилизации ядерных отходов, например, для извлечения радионуклидов из воздуха и жидких сред. За последние годы было разработано свыше 15 методов синтеза MOF, среди которых механохимический, микроволновый и другие. Каждый из этих подходов имеет свои плюсы и минусы.
Преимущества фотохимического процесса
Новый метод представляет собой фотохимический процесс, который, как утверждают авторы, почти лишён недостатков: ультрафиолетовое облучение сокращает продолжительность синтеза с нескольких суток до нескольких часов или даже минут, обеспечивает высокий выход конечного продукта, отличается простотой выполнения и не требует приобретения дорогостоящего оборудования. В итоге получаемый материал представляет собой равномерный порошок, состоящий из кристаллов размером примерно один микрон.
Разработанный подход успешно опробован для селективного получения трёх различных версий MOF на базе лантанидов и америция с использованием карбоксилатного лиганда. «Ультрафиолетовое излучение в перспективе позволит синтезировать ранее неизвестные типы каркасных структур на основе разнообразных металлов, которые до сих пор не были описаны в научной литературе, а также целенаправленно выращивать кристаллы уже известных соединений, чья структура пока остаётся невыясненной», — подчеркнул ведущий научный сотрудник лаборатории химии технеция ИФХЭ РАН Михаил Волков.
Особенно перспективным выглядит применение нового метода к работе с радиоактивными элементами, в частности с актинидами. Традиционные высокотемпературные или гидротермальные синтезы с использованием таких веществ сопряжены с повышенными рисками для персонала и требуют строгих мер радиационной безопасности.
Ультрафиолетовое инициирование позволяет проводить процесс при комнатной температуре, что минимизирует вероятность аварийных выбросов и упрощает герметизацию реакционной зоны. Более того, фотохимический подход открывает путь к созданию каркасных структур на основе америция и других минорных актинидов, что напрямую связано с решением проблемы переработки отработанного ядерного топлива.
Полученные MOF могут стать основой для селективных сорбентов, способных улавливать долгоживущие радионуклиды из сложных жидких смесей.
Не менее важным является аспект энергоэффективности. Традиционные методы синтеза требуют нагрева реакционной смеси до 100–200°C в течение длительного времени, что приводит к значительному расходу электроэнергии. Ультрафиолетовая лампа мощностью в несколько десятков ватт потребляет на порядки меньше энергии, чем печь или автоклав. В условиях глобального перехода к ресурсосберегающим технологиям это преимущество сложно переоценить.
Кроме того, фотохимический процесс обеспечивает более равномерное зародышеобразование кристаллов, что гарантирует воспроизводимость результатов — ключевой фактор при коммерческом производстве сорбентов, катализаторов или сенсоров.
Значение метода для фундаментальной и прикладной науки
Метод, созданный в ИФХЭ РАН, по мнению учёных, открывает новые горизонты для препаративной химии координационных соединений и химии MOF. Простота и доступность источников ультрафиолетового света позволяют исследователям получать металлоорганические каркасы на основе лантанидов и актинидов быстро и в больших объёмах, подчеркивает ТАСС.
Использование фотохимических и радиационных методов не только уменьшает время и стоимость синтеза, но и снижает риски для персонала, повышая безопасность работы с высокоактивными веществами. Проект реализован при финансовой поддержке Российского научного фонда.
С практической точки зрения, разработанная технология уже сейчас позволяет создавать MOF с заданными оптическими свойствами. Контролируя длину волны и интенсивность ультрафиолета, учёные могут влиять на размер кристаллов и их морфологию, а значит — на люминесцентные характеристики материала.
Это открывает дорогу к новым поколениям светодиодов, лазеров и биомедицинских маркеров. Например, каркасы на основе европия или тербия демонстрируют интенсивное свечение в узком спектральном диапазоне, что востребовано в устройствах отображения информации и криминалистике. Фактически, российская методика даёт инструмент для «тонкой настройки» свойств материала на молекулярном уровне.
Открытие российских учёных знаменует собой важный этап в развитии не только фундаментальной, но и прикладной химии. Если ранее синтез металлоорганических каркасов (MOF) требовал сложного лабораторного оборудования, точного соблюдения температурных режимов и многочасовых выдержек, то теперь процедура становится доступной практически любой научной группе, располагающей стандартным источником ультрафиолета.
Это означает демократизацию технологии: исследователи, работающие в региональных университетах и институтах, смогут внедрять методику без необходимости закупки дорогих реакторов. Сокращение времени синтеза с суток до минут — не просто вопрос удобства, а реальный шаг к промышленному масштабированию, ведь скорость реакции напрямую влияет на себестоимость конечного продукта.
Наконец, стоит подчеркнуть, что данная работа является результатом междисциплинарного взаимодействия химиков, физиков и материаловедов. Она демонстрирует, что отечественная наука не только следует мировым трендам, но и способна предлагать принципиально новые решения. Простота, безопасность, скорость и энергоэффективность — эти четыре характеристики делают фотохимический синтез MOF одним из самых перспективных направлений современной координационной химии.
В ближайшие годы можно ожидать появления целой серии новых соединений, которые ранее считались недоступными, а также внедрения технологии в образовательный процесс для подготовки нового поколения специалистов-химиков.