Гибридные магнито-пьезоэлектрические наногенераторы как новый класс умных фотокатализаторов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-73-10091

НазваниеГибридные магнито-пьезоэлектрические наногенераторы как новый класс умных фотокатализаторов

Руководитель Оруджев Фарид Фахреддинович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дагестанский государственный университет" , Республика Дагестан

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-602 - Химия новых органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова пьезокатализ, пьезофотокатализ, фотокатализ, магнитные наночастицы, поливенилиденфторид, ПВДФ, магнитное поле, спиновая поляризация.

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение нескольких взаимосвязанных проблем (экологических, материаловедческих, здоровьесберегающих), что, в конечном счете, позволит получить прикладную ресурсо- и здоровьесберегающую технологию по разложению широкого спектра органических загрязнителей в реальных объектах. При этом главная фундаментальная задача, связана с разработкой основ магнитоуправляемого пьезофототронного эффекта, представляющего собой комбинацию пьезо-, магнито- и фотокаталитической активности. Основная материаловедческая задача исследования заключается в дизайне фотокатализаторов, созданием принципиально нового класса гибких легко извлекаемых тонкопленочных органо-неорганических нанокомпозитов на основе функцианализции пьезоэлектрического полимера PVDF железосодержащими магнитными фотокатализаторами с различной природой магнитного упорядочения (a-Fe2O3, Fe3O4, BiFeO3) методом электропрядения. Суть заявляемого исследования состоит в использовании явления прямого превращения механической энергии в химическую, так называемый пьезоэлектрохимический эффект, основанный на пьезоэлектрических свойствах предлагаемых материалов для решения прикладной экологической и здоровьесберегающей задачи связанной с разложением широкого спектра органических загрязнителей. Кроме того, включение магнитных наночастиц в структуру нанонитей PVDF открывает возможности управления процессом пьезофотокатализа как электрическим полем за счет сегнетоэлектрической поляризации, так и магнитным полем за счет магнитоиндуцированной спиновой поляризации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Оруджев Ф.Ф., Алиханов Н.М.-Р., Рамазанов Ш.М., Собола Д.С., Рабаданов М.Х., Исмаилов Э.Х., Гасимов Р.Д., Алиев А.Ш., Талу Ш. Morphotropic Phase Boundary Enhanced Photocatalysis in Sm Doped BiFeO3 Molecules, 27(20) 7029 (год публикации - 2022)
10.3390/molecules27207029

2. Даллаев Р.С., Писаренко Т., Собола Д., Оруджев Ф., Рамазанов Ш., Трчка Т. Brief Review of PVDF Properties and Applications Potential Polymers, 14, 22, 4793 (год публикации - 2022)
10.3390/polym14224793

3. Рабаданова А., Абдурахманов М., Гюлахмедов Р., Шуайбов А., Селимов Д., Собола Д., Часткова К., Рамазанов Ш., Оруджев Ф. Piezo-, photo- and piezophotocatalytic activity of electrospun fibrous PVDF/CTAB membrane Chimica Techno Acta, 9, 4, 20229420 (год публикации - 2022)
10.15826/chimtech.2022.9.4.20

4. Оруджев Ф., Собола С., Рамазанов Ш., Часткова К., Папеж Н., Селимов Д.А., Абдурахманов М., Шуайбов А., Рабаданова А., Гюлахмедов Р., Холцман В. Piezo-enhanced photocatalytic activity of electrospun fibrous magnetic PVDF/BiFeO3 membrane Polymers (год публикации - 2022)

5. Магомедова А.Г, Исаев А.Б, Оруджев Ф.Ф., Собола Д.С., Рабаданов М.Х., Рабаданова А.А., Шабанов Н.С., Мингшан Ж., Эмиров Р.М., Гаджимагомедов С.Х., Алиханов Н.М.-Р., Кавиярасу К. Magnetically Separable Mixed-Phase α/γ-Fe2O3 Catalyst for Photo-Fenton-like Oxidation of Rhodamine B Catalysts, 13, 5, 872 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13050872

6. Оруджев Ф.Ф., Алиханов Н.М.-Р., Амиров А.А,, Рабаданова А., Селимов Д., Шуайбов А., Гюлахмедов Р., Абдурахманов М., Магомедова А.Г, Рамазанов Ш.М., Собола Д.С., Гираев К.М., Амирова А., Рабаданов К., Гаджимагомедов С., Рабаданов М.Х., Родионова В. Porous Hybrid PVDF/BiFeO3 Smart Composite with Magnetic, Piezophotocatalytic, and Light-Emission Properties Catalysts, 13, 5, 874 (год публикации - 2023)
10.3390/catal13050874

7. Магомедова А.Г., Рабаданова А.А., Шуайбов А.О., Селимов Д.А., Собола Д.С., Рабаданов К.Ш., Гираев К.М., Оруджев Ф.Ф. Combination NIPS/TIPS Synthesis of α-Fe2O3 and α/γ-Fe2O3 Doped PVDF Composite for Efficient Piezocatalytic Degradation of Rhodamine B. Molecules, 28, 19, 6932 (год публикации - 2023)
10.3390/molecules28196932

8. Оруджев Ф.Ф., Собола Д.С., Ш. Рамазанов М., Часткова К., Селимов Д.А., Рабаданова А.А., Шуайбов А.О., Гулахмедов Р.Р., Абдурахманов М.Г., Гираев К.М. Hydrogen Bond-Induced Activation of Photocatalytic and Piezophotocatalytic Properties in Calcium Nitrate Doped Electrospun PVDF Fibers Polymers, 15, 15, 3252 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15153252

9. Магомедова А., Исаев А., Оруджев Ф., Алиханов Н., Эмиров Р., Рабаданов М., & Мингшан З. Electrochemical Synthesis of Superparamagnetic Fe3O4 Nanoparticles for the Photo-Fenton oxidation of Rhodamine B ChemistrySelect, 8, 30, e202301694 (год публикации - 2023)
10.1002/slct.202301694

10. Фарид Оруджев, Дауд Селимов, Алина Рабаданова, Абдулатип Шуайбов, Магомед Абдурахаманов, Рашид Гюлахмедов, Никола Папеж, Шихгасан Рамазанов, Ирина Зверева, Клара Часткова. 1D/2D Electrospun Polyvinylidene Fluoride Nanofibers/Carbon Flakes Hybrid Nonmetal Polymeric Photo- and Piezocatalyst ChemistrySelect, 8, 43, e202303318 (год публикации - 2023)
10.1002/slct.202303318

11. Шуайбов Абдулатип, Абдурахманов Магомед,Магомедова Асият, Омельянчик Александр, Сальников Виталий, Ага-Тагиева Саяра, Родионова Валерия, Рабаданов Муртазали, Оруджев Фарид Sonophotocatalytic degradation of methylene blue with magnetically separable Zn-Doped-CoFe2O4/α-Fe2O3 heterostructures Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 35. 7. P. 520. (год публикации - 2024)
10.1007/s10854-024-12252-w

12. А.А. Рабаданова, К.Э. Рамазанова, З.А. Омарова, Ф.Ф. Оруджев Пьезоэлектрически индуцированные антибактериальные свойства пористой мембраны из поливинилиденфторида (ПВДФ) Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1. Естественные науки., Том 38. Вып. 4. С.89-97 (год публикации - 2023)
10.21779/2542-0321-2023-38-4-89–97

13. М.Г. Абдурахманов, Н.Г. Исаев, А.А. Рабаданова, Т.Ф. Оруджева, Ф.Ф. Оруджев Пористые полимерные мембраны губчатого типа на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) для фильтрационной очистки Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1. Естественные науки, Том 38. Вып. 4. С.80-88 (год публикации - 2023)
10.21779/2542-0321-2023-38-4-80–88

14. Магомедова А., Исаев А., Оруджев Ф. Oxygen vacancies enhanced photo-fenton-like catalytic degradation of rhodamine B by electrochemical synthesized α-Fe2O3 nanoparticles Inorganic Chemistry Communications, 165, 112563. (год публикации - 2024)
10.1016/j.inoche.2024.112563

15. СЕЛИМОВ Д.А. , РАБАДАНОВА А.А. , ШУАЙБОВ А.О. , МАГОМЕДОВА А.Г. , АБДУРАХМАНОВ М.Г. , ГЮЛАХМЕДОВ Р.Р. , РАМАЗАНОВ Ш.М. , АМИРОВ А.А. , СОБОЛА Д.С. , ОРУДЖЕВ Ф.Ф. Piezo-Enhanced Photocatalytic Activity of BaTiO3-Doped Polyvinylidene Fluoride Nanofibers Kinetics and Catalysis, 65 (6), 682-694 (год публикации - 2024)
10.1134/S0023158424602407

16. Рабаданова А.А., Селимов Д.А., Шуайбов А.О., Алиханов Н.М-Р., Сулейманов С.И., Шишов А.Ю., Сальников В.Д., Сангамеша М.А., Гираев К.М., Баматов И.М., Оруджев Ф.Ф. Smart multi-stimuli responsive magneto-piezoelectric composite material based on PVDF and BiFeO3 nanoparticles for catalysis and energy harvesting Polymer, 324, 128241. (год публикации - 2025)
10.1016/j.polymer.2025.128241

17. Селимов Д.А., Собола Д., Шуайбов А., Шуберт Р., Гулахмедов Р., Рабаданова А., Магомедова А., Оруджев Ф. Coupling photocatalysis and piezocatalysis in PVDF/ZnO nanofiber composites for efficient dye degradation Chimica Techno Acta, 12 (2), 12216 (год публикации - 2025)
10.15826/chimtech.2025.12.2.16

18. Рабаданова А., Магомедова А., Ага-Тагиева С., Ни В., Сальников В., Селимов Д., Омельянчик А., Родионова В., Исаев А., Рабаданов М., Оруджев Ф. Morphological and structural aspects in PVDF/CoFe2O4 membranes and their influence on piezocatalytic activity Polymer Engineering & Science (год публикации - 2025)
10.1002/pen.27184

19. Шуайбов А.О., Селимов Д.А., Абдурахманов М.Г. , Гюлахмедов Р.Р., Магомедова А.Г., Рабаданова А.А., Абдулкеримов М.С., Собола Д.С., Рамазанов Ш.М., Гаджиев Г.М., Оруджев Ф.Ф. Пьезоэлектрический и пьезофотокаталитический композиционный материал на основе ПВДФ и BaTiO3 Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1. Естественные науки., Том 39. Вып. 4, 59-68 (год публикации - 2024)
10.21779/2542-0321-2024-39-4-59-68

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном году в рамках реализации проекта выполнен комплекс экспериментальных исследований, направленных на изучение влияния магнитного поля на процессы фото- и пьезокаталитической деградации модельных органических загрязнителей с использованием композитных материалов на основе поливинилиденфторида (PVDF), модифицированных магнитными наночастицами (Fe₃O₄, BaFe₁₂O₁₉, BiFeO₃, CoFe₂O₄). Разработан магнито-пьезофотокаталитический реактор собственной конструкции (свидетельство о регистрации секрета производства №91 от 03.05.2024), позволивший проводить исследования в контролируемых условиях постоянных и переменных магнитных полей. Установлено, что воздействие переменного магнитного поля низкой частоты (0,67 Гц) приводит к увеличению эффективности фотолиза метиленового синего, тогда как в процессе сонолиза наблюдается снижение активности, что связано с нарушением динамики кавитационных пузырьков. Впервые выявлены оптимальные условия магнитного воздействия для стимуляции радикальных процессов при фотокатализе. Проведен синтез и всесторонняя характеристика новых композитов PVDF/Fe₃O₄, PVDF/BaFe₁₂O₁₉ и PVDF/BiFeO₃, а также наночастиц ядро/оболочка PVDF/BFO, полученных методом фазовой инверсии и электроспиннинга. Исследования подтвердили, что введение ферримагнитных наночастиц способствует повышению содержания электроактивной β-фазы PVDF, увеличивает пьезоэлектрическую активность и обеспечивает реализацию магнитоэлектрических эффектов. Показано, что в композитах реализуется последовательная передача энергии: магнитное поле вызывает магнитострикционные деформации наночастиц, которые передаются полимерной матрице, индуцируя электрическую поляризацию и инициируя каталитические процессы. Подтверждено, что композиты способны эффективно преобразовывать внешние магнитные поля в электрический отклик, сопровождающийся деградацией органических загрязнителей в водных растворах. Особое внимание уделено изучению пьезофотокаталитической активности мембранных материалов в различных режимах воздействия ультразвука и света. Установлено, что при частоте ультразвука 40 кГц и комбинированном облучении УФ-видимым светом достигается максимальная эффективность деградации метиленового синего (до 93% за 60 минут). При этом синергетический эффект между фото- и пьезокаталитическими процессами обеспечивает рост константы скорости реакции по сравнению с каждым процессом в отдельности. Изучены локальные магнитоэлектрические эффекты методом пьезосиловой микроскопии (PFM). Наложение постоянного магнитного поля 180 мТл приводило к увеличению амплитуды пьезоотклика волокон PVDF/Fe₂O₃, что подтверждено численным моделированием в среде COMSOL. Выявлена неравномерность распределения электрического потенциала, связанная с морфологией композитов и распределением магнитных наночастиц. Проведены дополнительные исследования композитов PVDF/CoFe₂O₄, PVDF/BaTiO₃ и PVDF/ZnO. В композитах с CoFe₂O₄ установлено увеличение площади пьезоэлектрически активных зон и намагниченности образцов. При этом наблюдалось существенное повышение каталитической активности при деградации метиленового синего под действием ультразвука, что связано с образованием кавитационных центров на поверхности ферритных наночастиц. Композиты с BaTiO₃ продемонстрировали высокий пьезофотокаталитический отклик, обеспечивающий почти полную деградацию органических загрязнителей за 60 минут обработки. По результатам работ получено два патента на изобретение и получен приоритет по третьему. Публикационная активность включает шесть опубликованных научных статей (в том числе 2 в Q1). В отчетном периоде было сделано 17 докладов на российских и международных научных конференциях, что свидетельствует о высокой степени интеграции проекта в профессиональное научное сообщество. Информация о проекте была представлена на федеральных интернет-ресурсах: 1. «Аргументы и Факты» Умны как люди. Новый класс материалов разрабатывает учёный из Дагестана. (Молодые лица кавказской науки) https://stav.aif.ru/society/science/umny-kak-lyudi-novyy-klass-materialov-razrabatyvaet-uchyonyy-iz-dagestana 2. Публикация на сайте онлайн журнала об энергетике Энергия+ https://e-plus.media/news/uchenye-sozdali-material-kotoryj-odnovremenno-chistit-vodu-i-sobiraet-energiyu-vibraczii/ 3. Публикация на сайте Naked Science о магнитоэлектрическом нанокомпозите на основе поливинилиденфторида и наночастиц феррита висмута https://naked-science.ru/article/column/gibridnyj-material-razrus. Полученные научные результаты соответствуют заявленным целям проекта, открывают новые перспективы для разработки пьезофотокаталитических систем и энергоэффективных технологий очистки воды.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта обладают высокой прикладной значимостью и уже вызвали заинтересованность со стороны реального сектора экономики Российской Федерации. В ходе выполнения проекта были разработаны новые пористые полимерные мембраны на основе поливинилиденфторида (ПВДФ), модифицированные железооксидными наночастицами. Эти мембраны проявляют высокую эффективность в процессах сорбции токсичных загрязнителей, в том числе соединений мышьяка, из водных растворов. Полученные материалы обладают высокой механической прочностью, химической устойчивостью и развитой пористой структурой, что делает их перспективными для применения в промышленных водоочистных системах. Ключевым достижением стало привлечение промышленного партнёра — компании ООО «ВОДАКОМ» (г. Махачкала, Республика Дагестан), специализирующейся на разработке и внедрении технологий водоочистки. Компания официально выразила заинтересованность в практическом использовании разработанных в проекте технологий, направленных на создание губчатых полимерных мембран с интегрированными железооксидными сорбентами для эффективной очистки воды от мышьяка. ООО «ВОДАКОМ» подтвердило готовность к участию в совместных проектах по дальнейшему развитию и адаптации новых мембран для своих производственных нужд, а также к ежегодному софинансированию научно-исследовательских работ в случае продления проекта. Реализация данного сотрудничества позволит не только повысить эффективность существующих технологий водоочистки, применяемых компанией, но и создать новые конкурентоспособные продукты, ориентированные на решение экологически значимых задач. Внедрение разработанных мембран в производство будет способствовать улучшению качества питьевой воды, обеспечению санитарной безопасности населения и развитию устойчивой водной инфраструктуры в регионах России. Таким образом, практическое использование результатов проекта в рамках сотрудничества с ООО «ВОДАКОМ» способствует достижению стратегических целей в области охраны окружающей среды, улучшения качества жизни населения и развития высокотехнологичного сектора экономики Российской Федерации.