Российские исследователи выяснили, как условия синтеза пористых медь-органических структур влияют на механизм их взаимодействия с органическими молекулами. Например, оказалось, что микроволновое излучение позволяет увеличить адсорбирующую способность, а высокие давление и температура — количество микропор. Работа ученых опубликована в журнале Molecules.

Хроматография представляет собой метод разделения и анализа смесей веществ. В ходе него движущееся вещество — подвижная фаза — перемещается по поверхности неподвижного вещества — стационарной фазы. По мере прохождения подвижная фаза разделяется на компоненты из-за их разной растворимости, заряда, специфического взаимодействия со стационарной фазой и прочих факторов. Хроматография позволяет анализировать летучие и жидкие вещества, а также некоторые редкоземельные и радиоактивные элементы. Метод находит применение, в частности, в криминалистике, медицине и пищевой промышленности.

Этот метод анализа можно разделить на виды. Например, в ходе жидкостной хроматографии подвижная фаза под высоким давлением пропускается через колонку с сорбентом. Сорбент — это вещество-поглотитель, в качестве которого в последнее время все чаще применяют металлоорганические каркасы (МОК). Они обладают рядом уникальных свойств, среди которых — возможность управления размером пор, одновременного варьирования природы металла и органической составляющей пористого каркаса. Благодаря этому с помощью МОК можно разделять и анализировать смеси веществ, недоступные для других пористых материалов.

Авторы нового исследования использовали МОК под названием HKUST-1. Он состоит из ионов меди и остатков бензолтрикарбоновой кислоты. Такой материал может поглощать и селективно удерживать молекулы различных органических веществ. Однако чтобы его эффективно использовать, нужно понимать, как различные условия синтеза влияют на структуру вещества.

Чтобы выяснить это, поддержанные грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда ученые провели ряд экспериментов. На первом этапе они получили порошки HKUST-1 с помощью трех различных способов — облучением реакционной смеси микроволнами (HKUST-1mw), методом сольвотермального синтеза (HKUST-1solv1) и по оригинальной сольвотермальной методике с применением смеси диметилформамида с водой (HKUST-1solv2). Сольвотермальный синтез предполагает, что процесс происходит в закрытой системе при высоких температуре и давлении. При этом конечный продукт синтезируется из сверхкритических жидкостей.

Для всех образцов ученые провели ряд исследований. Сначала они измерили их структуру с помощью рентгеноструктурного анализа. Затем авторы измерили адсорбционные свойства образцов и их эффективность в хроматографических методах анализа. Для этого через пористые слои полученных МОК исследователи пропускали растворы различных органических веществ, в частности бензола, хлор- и нитрофенолов, тетрациклина, парацетамола, никотина и так далее. На весах измеряли массу адсорбента, чтобы оценить количество поглощенных веществ, а также проверили наноструктуры на прочность, увеличив давление до 20 атмосфер, а после этого измерив параметры МОК.

«Мы показали, что механизмы взаимодействия органических молекул с разными типами HKUST-1 отличаются. Например, МОК, полученные с помощью сольвотермального синтеза, содержат больше доступных микропор, благодаря чему их можно использовать в методах селективной адсорбции, например при глубокой очистке различных веществ. В это же время другой образец, который мы создали с помощью микроволнового синтеза, способен поглощать частицы поверхностью пор, поэтому его можно использовать в качестве неподвижной фазы в высокоэффективной жидкостной хроматографии для разделения смесей», — говорит один из исследователей, ведущий научный сотрудник лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН Булат Сайфутдинов.