ОТ МОРСКИХ ГУБОК К ИННОВАЦИОННЫМ КАТАЛИЗАТОРАМ

Инженер-исследователь Физико-математического института ФИЦ Коми НЦ УрО РАН Роман Скандаков помещает керамический тигель с измельченным биоматериалом в дериватограф — прибор для синхронного термического анализа. Устройство позволяет исследовать физико-химические процессы в веществе при нагревании до 1200°C в различных средах (аргон, азот, кислород). После завершения цикла нагрева и охлаждения образец извлекают и исследуют комплексом физических методов: от оптической микроскопии до рентгеновской дифрактометрии и инфракрасной спектроскопии.

Научный сотрудник института Ольга Петрова объясняет, что дериватограф выполняет две принципиально важные функции. Во-первых, он анализирует изменения массы образца и тепловые эффекты при нагревании, выявляя химические реакции — испарение воды, разложение вещества, переход компонентов в газообразное состояние, образование новых соединений. Во-вторых, параллельно с изучением трансформаций ученые получают графитизированные материалы с высокой химической инертностью и развитой поверхностью, перспективные для создания композитов различного назначения.

Исследования по разработке нового катализатора начались еще в 2017 году, когда ученые Физико-математического института Коми научного центра присоединились к международной группе под руководством профессора Германа Эрлиха из Технического университета Горной академии Фрайберга. Междисциплинарный коллектив изучал структуру морских губок с целью разработки биомиметических моделей как альтернативы углеродным и керамическим каркасам для современного материаловедения. Это направление — «экстремальная биомиметика» — нацелено на использование возобновляемых нетоксичных органических структур. Путем карбонизации морских губок в инертной среде азота и аргона ученые получили композит, способный стать основой для инновационных катализаторов.

При термической обработке губка теряет до 70 % объема и массы, но сохраняет пространственную конфигурацию, превращаясь в твердую субстанцию благодаря формированию турбостатного графита. В составе губки содержится специфический белок спонгин, образующий жгуты-фибриллы с высоким содержанием ароматических соединений. При температурах 400–500°C спонгин разрушается, но параллельно запускается процесс графитизации ароматических веществ. Каркасная структура из фибрилл спонгина преобразуется в термостойкий, химически инертный турбостатный графит — высокоэффективный материал, альтернативный многостенным углеродным нанотрубкам.

Главное достоинство этого композита в том, что насыщенная углеродом структура точно повторяет архитектуру исходного каркаса морского животного. При покрытии наноразмерным слоем меди композит превращается в гибридный материал с выдающимися каталитическими характеристиками. Такой катализатор способен очищать морскую воду от токсичных соединений нитрофенолов, преобразуя их в нетоксичные вещества, применяемые в фармацевтической промышленности.

Синхронный термический анализатор был приобретен ФИЦ Коми НЦ в 2023 году в рамках федеральной программы «Развитие инфраструктуры для научных исследований и подготовки кадров» национального проекта «Наука и университеты». Сегодня ученые Физико-математического института активно проводят исследования по карбонизации биоматериалов. В 2024 году институт приобрел трубчатую вакуумную печь, позволяющую проводить карбонизацию материалов в граммовых количествах в инертных и окислительных средах.