ИСТИНА

введите аннотацию проекта на русском языке:Проект направлен на получение принципиально нового типа материалов на основе функционализируемых каркасных структур варьируемой (микро- и мезо-) пористости из углеродных нанотрубок, а также их композитов с металлами, оксидами металлов и интерметаллидами. Разработка методов получения и варьирования свойств таких каркасных углеродных структур, а также материалов на их основе, откроет, прежде всего, путь к синтезу новых катализаторов гидрирования углеводородов и восстановительной конверсии оксидов углерода на основе никеля, кобальта и железа, а также гидридов интерметаллидов. Стабилизация наночастиц каталитически активных металлов на поверхности каркасов из углеродных трубок с возможной карбонизацией предотвратит их агрегацию в процессе каталитической реакции, исключит образование сложных оксидов при температурном воздействии (что наблюдается при использовании оксидных носителей). Инкапсулирование же интерметаллидов в матрицу консолидированных углеродных нанотрубок предотвратит деградацию механических свойств катализатора и обеспечит длительное эффективное использования. Введение гетероатомов в графеновые слои компактизируемых углеродных наноматериалов (УНМ) позволит создать дополнительные центы стабилизации каталитически активных частиц. Примеры подобных эффектов для некомпактизированных УНМ опубликованы членами авторского коллектива в научной периодике. Для получения каркасных структур планируется использовать искровое плазменное спекание, реализуемое в среде инертного газа в контролируемых условиях. Эффективность применения этого метода, широко используемого в индустрии керамических материалов, для для сшивки УНМ также апробирована и опубликована членами авторского коллектива. Ввиду имеющегося научного задела с огромной долей вероятности можно утверждать, что трехмерные каркасы из нанотрубок за счет контролируемой дефектности, вариации пористости и порозности, предварительной окислительной конверсии с последующей карбонизацией, а также жесткости структуры и химической инертности к окислительным и восстановительным агентам позволят стабилизировать каталитически активные системы с участием переходных металлов, предотвратить агломерацию наночастиц или дезагрегацию материала в целом в процессе каталитического эксперимента. Более того, получение компактизатов позволит решить важную технологическую задачу, препятствующую широкому практическому использованию УНМ - резкое повышение плотности материала и гранулирование без потери уникальных свойств нанотрубок и малослойных графитовых фрагментов. Таким образом, предполагается, что предложенный подход к дизайну катализаторов откроет принципиально новые пути решения проблемы продуктов уплотнения на поверхности каталитически активных центров, что существенно увеличит срок службы катализаторов, чрезвычайно важных для получения топлив из возобновляемых источников и переработки техногенных отходов. Полученные каркасные структуры, в силу использования нанотрубок при их синтезе, могут быть химически модифицированы различными функциональными фрагментами (карбоксильными или гидроксильными, аминными, сульфогруппами и пр.), что существенно расширяет потенциал их практического использования, например, в качестве сорбентов, а также в составе композитов с различными типами полимеров. Применение для получения каркасных структур гетерозамещенных азото- или борсодержащих нанотрубок позволит, в случае необходимости, варьировать электронные свойства материала в целом, равно как и кислотно-основные свойства поверхности. Нельзя также не упомянуть огромную значимость получаемых углеродных каркасов для использования в качестве электродных материалов в устройствах преобразования и хранения энергии - суперконденсаторах с неводными электролитами, гибридных литий-ионных ионисторах и литий-ионных аккумуляторах. Это обусловлено небольшими потерями в величине площади удельной поверхности при предлагаемом методе синтеза - искровом плазменном спекании, существенным увеличением плотности при сохранении микро-и мезо-пористости, высокой электропроводностью получаемого материала, возможностью удаления всех типов функциональных групп с поверхности (за исключением большей части гетероатомов в составе графеновых слоев нанотрубок), что обеспечит воспроизводимость характеристик при циклировании. При корректно подобранном электролите это позволит полностью использовать потенциал его электрохимического окна стабильности, избежать перенапряжений, вызванных дефектностью углеродного материала, газообразования в процессе эксплуатации из-за удаления поверхностных функциональных групп при напряжениях более 3В. С точки зрения применения в составе литий-ионных батарей интересным может являться изучение кинетики литирования каркасных материалов, особенно при использовании для их получения углеродных нанотрубок конического типа. Применение гетерозамещенных материалов в качестве электродных позволит более эффективно реализовать обратимый эффект псевдоемкости в системах накопления энергии, существенно увеличив характеристики конечных устройств, по сравнению с коммерчески используемыми продуктами. Применение указанных подходов гарантирует успех при реализации сборок как двойнослойных суперконденсаторов, так и гибридных литиевых ионисторов со смешанным механизмом накопления заряда, обладающих ёмкостью порядка 150-200 Ф/г и плотностью энергии до 110 Вт * ч / кг, стабильных до значений потенциала до 3,8 В в единичном электрохимическом модуле. Приведенные характеристики существенно выше, чем у коммерчески доступных образцов, а также несколько превосходят значения, получаемых в иностранных научных группах. Стоит отметить, что интересным аспектом таких многокомпонентных систем будет являться применение методов электронной микроскопии высокого разрешения и электронной дифракции для изучения структурных характеристик. В связи с тесным сотрудничеством коллектива с Российским онкологическим центром им. Н.Н. Блохина, интересным и принципиально новым аспектом применения разрабатываемых функционализированных каркасных структур может являться их модификация сложнооксидными системами, например, манганитом La0.7Ca0.3-xSrxMnO3-δ (где изменение параметра х приводит к изменению температуры Кюри) и их использование для для гипертермии. При этом стабилизация в модифицированной для сродства к биологическим системам, обладающей хорошей теплопроводностью 3D углеродной матрице приведет к минимизации негативных эффектов, описанных, например, для La1–xAgxMnO3+δ и SmCo5. Для решения указанных задач планируется использовать современные синтетические подходы: пиролическое получение углеродных нанотрубок различной морфологии и с возможным гетерозамещением, их искровое плазменное спекание, в т.ч. с предварительной самосборкой за счет сшивки дивинилсульфоном. Гетерозамемещение в графеновых слоях планируется реализовать на стадии получения нанотрубок за счет введения азот- или борсодержащих бескислородных прекурсоров. Иммобилизацию металлов, интерметаллидов и синтез композитов с оксидами металлов целесообразно реализовать в процессе искрового спекания. Постсинтетическую обработку, при необходимости, можно будет осуществить в сверхкритических средах. Среди применяемых методов исследования стоит отметить просвечивающую высокого разрешения и сканирующую электронную микроскопию, электронную дифракцию, рентгеновскую дифракцию, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, рамановскую спектроскопию, термические методы анализа, низкотемпературную азотную порометрию, бомбовую калориметрию, газохроматографический и масс-спектральный анализы. Все оборудование, необходимое для выполнения проекта, имеется в распоряжении коллектива авторов.

введите аннотацию проекта на английском языке:The project is aimed at the synthesis of a new type of materials, based on the framework structure with variable micro- and mesoporosity, from carbon nanotubes of different morphology and their composites with metals, oxides and intermetalides. Development of methods of synthesis and modification of carbon nanostructure frameworks and their derivatives makes it possible the development of new catalysts based on Ni, Co Fe and intermetallic hydrid compounds for the hydrogenation and catalytic conversion of carbon oxides. Stabilization of catalytic metal nanoparticles on the surface of the framework of CNT including their possible carbonization prevents particle aggregation, and formation of complex oxides under high temperatures typically observed for oxides supports. Encapsulation of intermetallic compounds in the matrix of CNT framework prevents mechanical degradation of catalyst which ensures its long performance. Doping of grapheme layers of compacted carbon nanomaterilas (CNM) with heteroatoms leads to the extra stabilization centres for catalytically active particles. Such effects in non-compacted CNM have been already studied and described in the publications of the members of the project team. Spark plasma sintering under inert gas and controlled parameters is planned to be used for the synthesis of framework structures. The efficiency of this widely used in ceramic materials industry technique for the cross-linking of CMN has been also demonstrated by the project team. The scientific achievements of the project team allow to claim that it is highly probable that 3D frameworks of CNTs will allow to stabilize catalytically active systems containing transition metals due to controlled defectiveness, porosity variation, preliminary oxidative conversion with further carbonisation, as well as rigid structure and chemical stability to oxidation and reduction agents. 3D framework of CNTs also prevents agglomeration of nanoparticles and disaggregation of material during catalytic test. Moreover, compaction of CNTs allows solving the important technological issue which prevents practical application of CNM – the demand for the sharp increase in the CNM density and its granulation without the deterioration of the unique properties of nanotubes and few layers graphite fragments. Therefore, the proposed approach to the design of catalysts is believed to open new conceptual ways for dealing with the compaction products on the surface of catalytically active centres, which increases the life-time of the catalysts for the fuel synthesis from the renewable source and waste processing. Due to the use of CNT, sintered framework structures can be chemically modified with different functional fragments (hydroxyl and carboxyl groups, amines, sulfogroups etc.). It makes possible carbon nanostructure frameworks to be practically used as sorbents, as well as composites with polimers. Synthesis of CNT framework structures using B- and N-doped CNTs allow to vary electronic properties of the material as well as acid-base properties of their surface. Materials under discussion are extremely important as electrode materials in energy storage devices – supercapacitors with anhydrous electrolytes, hybrid Li-ion ionistor and Li-ion batteries due to insignificant loss of specific surface area under the sintering, increasing of the density with constant porosity, high electrical conductivity, functional groups removal (except of heteroatoms in the structure of CNT), that provides reproducibility under cycling. Such materials and appropriately selected electrolytes allow to use the whole window of electrochemical stability of electrolyte, prevent overcharging and gas-formation during use under over 3V potential. From the viewpoint of application of these materials in Li-ion batteries, studying of lithiation kinetics of framework materials is also important especially for the frameworks synthesized from fishbone CNTs. Application of heterosubstituted materials as an electrodes allows to realize reversible pseudocapacity effect in energy storage systems more effectively, which essentially increase consumer properties of the newly-developed storage systems comparing to the modern commercial products. Such approaches ensures the successful fabrication of both double layer supercapacitors and hybrids lithium ionisters with the mixed charge storage with the capacity of 150-200 F/g and energy density up to 110 W*h/g and stable up to the 3.8 V in the single electrochemical unit. These parameters are significantly higher than those of commercially available products and slightly higher that those obtained by the leading scientific groups in the world. We would like to note that the application of high resolution electron microscopy will be the unique approach for the studying of such systems. Cooperation with the Blokhin Russian Oncology Centre allows finding new and important application of the functionilized framework materials. Their modification with oxide systems, e.g. with manganite La0.7Ca0.3-xSrxMnO3-δ (where change of х parameter affects the Curie temperature) may leads to the synthesis of highly perspective composite material for hyperthermia. At the same time the stabilization of the oxide particles in the modified for the biocompatibility 3D framework with high thermal conductivity will minimize negative effects observed for La1–xAgxMnO3+δ and SmCo5 materials. Morden synthetic approaches will be used to solve the problems of the project, such as pyrolytic synthesis of CNTs of different morphology with and without heterosubstitution, their spark plasma sintering, including their preliminary self-assembling by the cross-linking with divinylsulfone. Heterosubstituted CNTs will be produced by the injection of nitrogen and boron containing oxygen free precursors during synthesis. Metals an intermetalides immobilization as well as their oxides will be conducted during SPS. Further modification of material will be also possible due to the treatment in supercritical fluids. All the materials will be characterized with HRTEM, SEM, electron and X-ray diffraction, XPS, Raman spectroscopy, low temperature nitrogen and liquid porometry, bomb calorimetry, thermal analysis, gas chromatography and mass-spectrometry. The project team has an access to all above mentioned characterization equipment.

Ожидается, что результатом выполнения проекта будет являться новый класс функциональных материалов на основе каркасных углеродных структур варьируемой (микро- и мезо-) пористости, а также методики их характеризации методами электронной микроскопии и дифракции, а также эмпирические и математические зависимости, позволяющие прогнозировать их свойства (пористость, плотность, дефектность). Среди представителей такого класса материалов можно выделить каталитически активные композиты со стабилизированными на поверхности нанотрубок наноразмерными металлами и интерметаллидами, активные в реакциях гидрирования; пост-модифицированные различными функциональными группами спеченные пористые сорбенты; высокоэлектропроводные сверхчистые электродные материалы для систем преобразования и хранения энергии, в т.ч. реализующие псевдоёмкостную составляющую за счет гетерозамещения в графеновых слоях, а также композиты со сложнооксидными системами на основе манганитов лантана для гипертермии. Для всех описанных случаев материалы будут получены в количествах, необходимых для их лабораторных испытаний. Социальная значимость получаемых результатов чрезвычайно высока, поскольку процессы гидрирования актуальны для получения синтетических моторных топлив и прочих химически ценных продуктов (метанол, альдегиды и т.д.), в том числе из возобновляемых источников (СО, CO2) и отходов промышленного производства, а также предприятий нефтехимического комплекса. Значимость повышения ёмкостных и энергетических характеристик двойнослойных конденсаторов, гибридных ионисторов и литиевых батарей также огромна, поскольку приводит к уменьшению размера этих устройств, совершенствованию массовых характеристик, увеличению срока службы изделий, результатом чего является снижение энергозатрат. Композиты на основе манганитов лантана, за счет возможности вариации температуры Кюри, могут оказаться крайне эффективными при лечении злокачественных образований за счет избежания перегрева тканей выше 43 ᵒС, что вызывает отмирание клеток, при гипертермии. Полученные результаты будут представлены в отечественных и международных высокоцитируемых изданиях, а так же на ведущих российских и международных конференциях. Поддержка данного проекта позволит укрепить межгосударственные научно-технические связи Российской Федерации, будет способствовать мобильности ученых и повышению имиджа России на международной арене, позволит закрепить молодых ученых, студентов и аспирантов в науке. Разработанные в ходе выполнения проекта оригинальные методики синтеза, а также проведения каталитических экспериментов, данные о структуре и свойствах материалов будут использованы в общих и специализированных курсах для студентов химических специальностей ВУЗов, а также отражены в монографии по физическим методам исследования в химии.