Из обожженных морских губок получаются хорошие катализаторы

Международная команда ученых создала новый графитоподобный материал. Его основой послужили морские губки со скелетом, содержащем спонгин — белок, похожий на коллаген. Отжиг при температуре 1200°C дает углеродистые образцы высокой прочности, сохраяющие макро- и микропористую структуру губки. На этот высокопористый материал можно напылять разные металлы, получая, как выяснилось, исключительно эффективные катализаторы.

Работа с губками — древнейшими многоклеточными организмами — всегда полна сюрпризов. Не стало исключением и новое исследование, проведенное под руководством Германа Эрлиха (Hermann Ehrlich) из Института электроники и сенсорных материалов Фрайбергской горной академии. В этой работе участвовали специалисты из 21 научно-технологической лаборатории Европы и США, в том числе — и из российских университетов Сыктывкара и Санкт-Петербурга.

Ученые исследовали свойства материала, который получается при высокотемпературной трансформации конской губки (Hippospongia communis, образцы для экспериментов собрали в Средиземном море у берегов Туниса) в отсутствии кислорода (это так называемая карбонизация). Теоретически должен получиться чистый углерод с полезными структурными свойствами. Идея Эрлиха состояла в том, что при высокотемпературной деградации может получиться материал, сохраняющий микроархитектуру органического скелета губки — ячейки с микро и нанопорами и, следовательно, с огромной площадью поверхности. А это, как известно, необходимое условие эффективного катализа. Такие «высокотемпературные» опыты уже проводились, и материал с требуемыми свойствами получали из коллагена бычьей кожи. Но, во-первых, коллаген нужно было предварительно обрабатывать, а во-вторых, он все равно получался непрочным и рассыпался в порошок. С губками все вышло иначе.

Сначала их обработали кислотами, чтобы удалить известковые скелетные элементы, частицы песка и ила. После этого от губки остается только органический скелет. У конской губки, как и у других представителей Demospongiae, органическую часть скелета составляют микрофибриллы белка спонгина (spongin), входящего в семейство коллагенов (рис. 2).

Рис. 2. Спонгин конской губки при разном увеличении

После растворения минеральных включений образцы губок поместили в термокамеру и провели обжиг в аргоновой атмосфере. Обжиг велся 1 час при температуре до 1200°C (рис. 3). За это время губка превратилась в чистый углерод.

Рис. 3. Обжиг губки в термокамере

Естественно, основная работа была посвящена изучению структуры и свойств полученного углеродистого образца, потому что сама процедура его получения, как мы видели, несложная и быстрая.

В одном месте при описании технических результатов анализа авторы используют слово „intriguing“, и оно хорошо отражает то, что больше всего поразило их самих. Это феноменальная прочность образца: его можно пилить металлической пилой на тонкие пластинки, а он не рассыпается и не теряет форму, оставаясь «самим собой» (рис. 4). Конечно, в статье приведены точные параметры прочности полученного углеродистого материала и описано, как он выдерживает деформации в разных направлениях, но ясно, что если предмет можно пилить пилой на пласты толщиной 2–4 мм, то он достаточно прочный. При обжиге теряются связи между молекулами, и, как правило, образцы рассыпаются. Почему губки после обжига сохраняют твердость — пока не понятно, но этот факт твердо установлен (буквально). По своей кристаллической структуре получившийся материал напоминает графит с малоупорядоченными горизонтальными слоями (так называемый турбостатный графит).

Рис. 4. Обожженная губка, распиленная на пласты толщиной 4 мм

На спилах видно, что ячеистая макроструктра губки хорошо сохранилась. Но важнее, сохранилась ли при обжиге его микропористая структура, обеспечивающая высокую площадь поверхности. На больших увеличениях (рис. 5) видно, что прекрасно сохранилась, включая и спиралеобразную форму коллагеновых структур, видимую как нити бусин, и напоминающие соты нанопоры.

Рис. 5. «Живые» спонгиновые структуры скелета губки

Итак, перед нами готовый прочный нанопористый материал с большой площадью поверхности. Исследователи продемонстрировали, как его можно использовать для изготовления химического катализатора. На него напылили медь (не будем забывать, что углерод обладает высокой электропроводностью, так что на него можно напылять различные металлы с каталитическими свойствами). Получился медно-углеродистый катализатор в форме губки (рис. 6), механически прочный и химически устойчивый в морской и пресной воде (что тоже проверили в серии опытов).

Рис. 6. Микрофибриллы губки после обжига

В контрольном тесте проверяли, как этот катализатор справляется с задачей очищения воды от 4-нитрофенола — токсичного вещества, которое используется в различных химических и фармацевтических производствах, и в итоге со сбросами попадает в воду. Обеззараживание вод от 4-нитрофенола — довольно непростая в химическом отношении задача. В основе обеззараживания лежит реакция превращения 4-нитрофенола в безвредный 4-аминофенол, и она идет небыстро, потому что катализаторов, которые работали бы в воде пока не найдено. В экспериментах с применением новополученного катализатора из губки реакция обезвреживания 4-нитрофенола полностью прошла всего за 2 минуты!

В общем, это очень многообещающий материал. Ученые надеются, что он найдет разнообразное применение в химических исследованиях и производствах. Наверняка в дальнейшем он будет всесторонне изучен, и ученые смогут разгадать, какая физико-химическая магия создает из спонгина при обжиге столь прочные образования и почему то же самое не получается при обжиге коллагена. Интересно и то, как меняются свойства нового материала при других температурах обжига — это может еще больше расширить спектр возможных применений полученных из губок материалов. Например, в прошлом году эта же научная группа опубликовала работу с описанием спонгино-магранцевого суперконденсатора, в процессе изготовления которого губка обжигалась при температуре 650°C (T. Szatkowski et al., 2018. Extreme biomimetics: A carbonized 3D spongin scaffold as a novel support for nanostructured manganese oxide(IV) and its electrochemical applications).

Источник: Iaroslav Petrenko, Adam P. Summers, Paul Simon, Sonia Żółtowska-Aksamitowska, Mykhailo Motylenko, Christian Schimpf, David Rafaja, Friedrich Roth, Kurt Kummer, Erica Brendler, Oleg S. Pokrovsky, Roberta Galli, Marcin Wysokowski, Heike Meissner, Elke Niederschlag, Yvonne Joseph, Serguei Molodtsov, Alexander Ereskovsky, Viktor Sivkov, Sergey Nekipelov, Olga Petrova, Olena Volkova, Martin Bertau, Michael Kraft, Andrei Rogalev, Martin Kopani, Teofil Jesioniowski, and Hermann Ehrlich. Extreme biomimetics: Preservation of molecular detail in centimeter-scale samples of biological meshes laid down by sponges // Science Advances. 2019. DOI: 10.1126/sciadv.aax2805.

Елена Наймарк

Related Posts

НАСА столкнуло свой зонд с астероидом

Ученые хотели понять, можно ли таким образом изменить траекторию опасных космических тел

На Луне обнаружили пещеры с комфортной для астронавтов температурой

Научное сообщество США обсуждает постройку базы на Луне. Для этого могут использоваться ландшафтные углубления с умеренной температурой, в которых «может поместиться город Филадельфия»

Трафик в космосе: кто включит светофор и установит правила движения?

Несмотря на международную напряженность, контроль за космическим трафиком и его регуляция переходит в США к гражданскому ведомству

Шнобелевская премия: кто получил награду за самые странные научные открытия в 2022 году?

В ночь с 15 на 16 сентября в Гарвардском университете прошла церемония вручения Шнобелевской премии – сатирической награды, призванной привлечь внимание общественности к самым странным открытиям и исследованиям. На сайте оргкомитета премии говорится, что награда вручается за «достижения, которые сначала заставляют людей смеяться, а затем – задуматься». Вручение Шнобелевской премии стало уже 32-м по счету; все желающие могли понаблюдать за церемонией в ходе прямой трансляции. Победителям вручают бумажные цилиндры, которые символизируют «контейнер для хранения знаний», а также 10 трлн зимбабвийских долларов одной банкнотой – правда, эти купюры уже вышли из обращения. Ниже представлен список победителей премии 2022 года: История искусства Награду получили ученые из США, Гватемалы, Австрии и Нидерландов за свое мультидисциплинарное исследование «сцен с ритуальными клизмами на древней керамике майя». Исследуя полихромную керамику позднеклассического периода майя, исследователи обнаружили не только известные ученым сцены – охоту, игры с мячом, жертвоприношения – но и изображения клизм, используемых для ритуальных целей. Физика Сразу двум коллективам ученых из США, Великобритании, Турции и Китая вручили награду в категории «Физика» за попытку объяснить, «как утятам удается плавать строем». В опубликованных исследованиях одним из ключевых аспектов стал вопрос энергоэффективности движения утят при соблюдении определенного строя на воде. Литература Ученые из США, Канада, Великобритании и Австралии стали лауреатами премии за объяснение, почему «юридические документы так сложно понять». Исследователи проанализировали реакцию 108 человек на ряд документов, пытаясь понять, какая из особенностей письма делает чтение наиболее трудным. В числе таких особенностей – непривычное написание с заглавных букв, использование устаревшей и специфичной лексики, употребление страдательного залога и сложноподчиненные конструкции в середине предложения (последний пункт, как выяснилось, вызывает наибольшие затруднения). Прикладная кардиология Премию также получили исследователи из Великобритании, Швеции, Германии, Чехии, Нидерландов и Арубы за свидетельства того, что «сердцебиение влюбленных, которые понравились друг друг при первой встрече, начинает синхронизироваться». Для того, чтобы прийти к подобным выводам, им пришлось измерить, как бьются сердца 140 человек в Нидерландах. Биология Специфику романтических отношений анализировал и бразильско-колумбийский коллектив ученых, правда, в немного ином ключе. Победители в категории «Биология» изучали, влияют ли запоры на перспективы спаривания скорпионов. В частности, их интересовали запоры вследствие метасомальной аутотомии – ситуации, когда скорпион добровольно теряет заднюю часть тела вместе с секцией пищеварительного тракта, чтобы уйти от хищников. Медицина Польские исследователи получили Шнобелевскую премию, доказав, что для некоторых типов химиотерапии пациентам удастся уменьшить интенсивность побочных эффектов, если заменить один из компонентов лечения мороженым. Речь идет об оральном мукозите – одном из побочных эффектов у пациентов, проходящих лечение от онкологических заболеваний. В качестве профилактики врачи иногда дают им кусочки льда – однако, исследований, подтверждающих, что лед может быть заменен на мороженое, еще не было. Премия мира Коллективу ученых из США, Австралии, Китая, Канады и целого ряда европейских стран Шнобелевская премия была присвоена за алгоритм, «помогающий сплетникам решать, когда говорить правду или лгать». Чтобы понять, какая логика движет любителями сплетен, авторы исследования проверяли свои гипотезы, основываясь на поведении участников четырех предложенных игр. Инженерия Ученые из Японии стали лауреатами премии за попытку найти самый «эффективный способ использования пальцев при повороте дверной ручки». В этом исследовании им помогали 32 студента, вращавшие деревянные ручки разного диаметра. Экономика Найти ответ на извечный вопрос попытались ученые из Италии: им предстояло найти математическое объяснение тому, почему успешными становятся не самые талантливые люди, а самые удачливые. Для некоторых авторов данного исследования Шнобелевская премия стала уже второй: в 2010 году они получили ее за математическое доказательство, что организации могут стать более эффективными, если повышения будут предоставляться сотрудникам на случайной основе. Техническая безопасность По словам исследователя Магнуса Генса, получившего Шнобелевскую премию в категории «Техническая безопасность», ежедневно на дорогах одной только Швеции гибнут в среднем 13 лосей. Чтобы помочь автопроизводителям учесть эту проблему при создании более безопасных машин, он создал манекен лося для автомобильных краш-тестов.

После серьезного «хакерского взлома», сервис Uber продолжил работу

Служба заказа такси Uber заявила, что ее система функционирует в рабочем режиме после того, что ее специалисты по безопасности назвали «серьезной утечкой данных»

Как превратить ненужный пластик в полезный материал

Ученые из университета штата Вашингтон разработали новый способ переработки и использования полиактида, биоразлагаемого пластика, который хоть и расщепляется в природных условиях, все равно наносит окружающей среде огромный вред.

Добавить комментарий