Ученые разработали новый метод синтеза нанопористых металлических оксидов с контролируемой кристалличностью

Автор: Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00155

Нанопористые металлические оксиды находят применение в самых разных областях — от катализаторов до материалов для хранения энергии. Особый интерес представляют монокристаллические нанопористые оксиды, сочетающие преимущества нанопористых структур (высокая удельная поверхность, большой объем пор) с уникальными свойствами монокристаллов.

Однако синтез таких материалов традиционными методами затруднен из-за сложностей контроля процессов нуклеации и роста кристаллов внутри шаблонов. Кроме того, существующие подходы ограничены по составу получаемых материалов.

Группа исследователей из Университета Васэда (Япония) под руководством доцента Такамити Мацуно разработала новый метод синтеза монокристаллических нанопористых оксидов металлов с одновременным контролем их состава, пористой структуры и размера кристаллов. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

«Железо — один из самых распространенных металлов на Земле, а его оксиды применяются в катализаторах, электродах, магнитных устройствах и сенсорах. Мы сосредоточились на α-Fe₂O₃ и добились одновременного контроля его пористой структуры и размера кристаллитов с помощью нашего метода», — поясняет Мацуно.

Метод, названный C³ (chemical-vapor-based confined crystal growth), предполагает пропитку водного раствора FeCl₃ в пористом материале из наносфер диоксида кремния с последующим нагревом на воздухе. После растворения кремниевого шаблона исследователи получили квазимонокристаллический α-Fe₂O₃ с упорядоченной нанопористой структурой и средними размерами частиц ~1,1 мкм (малая ось) и ~1,6 мкм (большая ось).

«Нагрев хлорида железа внутри шаблона приводит к нуклеации и росту кристаллов α-Fe₂O₃ через парофазный транспорт FeOCl. В результате мы получили материал с более крупными и однородными кристаллитами по сравнению с традиционными методами», — отмечает Мацуно.

Полученный материал продемонстрировал высокую термостойкость и каталитическую активность в фото-Фентоновской реакции, что подтверждает преимущества монокристаллических нанопористых структур.

Это открытие может найти применение в разработке катализаторов и материалов для энергопреобразования, способствуя достижению углеродной нейтральности. Метод C³ открывает новые возможности для создания материалов с заданными свойствами через точный контроль их структуры.

Дополнительная информация: Daichi Oka et al, Quasi-Single-Crystalline Inverse Opal α-Fe₂O₃ Prepared via Diffusion and Oxidation of the FeCl₃ Precursor in Nanospaces, Chemistry of Materials (2025). DOI: 10.1021/acs.chemmater.5c00155