Сотрудники лаборатории новых физико-химических проблем Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН разработали новый метод создания гибридных материалов на основе наноструктурированного оксигидроксида алюминия и порфирина.
В материале молекулы порфирина равномерно распределены по поверхности неорганической матрицы благодаря специальной якорной группе, что открывает широкие возможности для его использования в каталитических процессах. Для создания такого гибридного материала ученые использовали комплексный подход. Главная структурная часть синтезированной молекулы содержит три основные группы: функциональную, отвечающую за фотофизические свойства; солюбилизирующую, повышающую растворимость; якорную, которая позволяет закрепить молекулы порфирина на поверхности матрицы — наноструктурированного оксидного материала. Такое расположение порфирина делает его доступным для реагентов и повышает эффективность материала в каталитических процессах.
Наноструктурированный оксигидроксид алюминия был выбран в качестве матрицы из-за своей уникальной структуры. Этот материал имеет волокнистую структуру с разветвленной поверхностью и очень низкой плотностью. Путем термической обработки удалось увеличить его механическую прочность до такой степени, что стало возможным создать макроскопический объект. Нанофибриллы матрицы были покрыты монослоем диоксида кремния, что позволило обеспечить прочное связывание порфирина с матрицей. В будущем такой тип материалов может быть использован для создания наполнителей реакторных установок.
По словам ведущего научного сотрудника лаборатории новых физико-химических проблем, доктора химических наук Кирилла Бирина, результаты этого исследования положили фундаментальную основу для создания нового типа 3D-наноструктурированных гибридных материалов на основе порфиринов.
Большинство существующих в настоящее время функциональных материалов на основе порфиринов представляют собой металл-органические или ковалентные каркасные структуры, в которых молекулы порфиринов равномерно распределены по всему объему материала. Однако в каталитических процессах такое объемное распределение является недостатком, так как молекулы, находящиеся внутри материала, не доступны для химических реакций.
Современные технологические задачи требуют высокой эффективности процессов, их экономичности и соблюдения экологических стандартов. Однако существует немного процессов, которые удовлетворяют всем этим требованиям, и одним из них является катализ. Однако получение высокоэффективных катализаторов обычно сопряжено с большими затратами, поэтому необходимо разрабатывать методы их регенерации.
Порфирины, которые являются природными красителями, уже показали себя как перспективные фотокатализаторы в реакциях окисления. Этот тип реакций широко используется в синтезе лекарственных препаратов, но традиционные методы реализации таких реакций требуют дорогостоящей и трудоемкой очистки полученных соединений. Замена этих окислительных процессов фотокаталитическими реакциями позволит одновременно сократить затраты на производство и уменьшить экологическое воздействие.