Супрамолекулярные мультимодальные гибридные системы для биомиметического катализа и фотокатализа

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 23-73-00095

НазваниеСупрамолекулярные мультимодальные гибридные системы для биомиметического катализа и фотокатализа

Руководитель Калинина Мария Александровна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук , г Москва

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова супрамолекулярные системы, гибридные материалы, металлоорганические каркасы, порфирины, фталоцианины, самосборка, биомиметические системы, искусственные ферменты, фотокатализ

Код ГРНТИ31.15.00, 31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной междисциплинарной проблемы супрамолекулярной химии, коллоидной и физической химии низкоразмерных систем, связанной с разработкой базовых принципов получения супрамолекулярных гибридных материалов с управляемой каталитической активностью. Успешная реализация проекта позволит преодолеть барьер между фундаментальными исследованиями таких систем и их использованием в качестве технологической основы для производства принципиально новых материалов будущего с уникальными характеристиками, типичными для металлоорганических каркасов (МОК). Предлагаемая в проекте стратегия синтеза супрамолекулярных гибридных систем предполагает объединение биомиметической каталитической и фотокаталитической функций в одном материале за счет обеспечения эффективного взаимодействия неорганического и органического компонентов на межфазной границе. Интеграция в единую структуру нанокластеров ПОВМОК тетрапиррольных хромофоров с настраиваемым размером пор на поверхности двумерных частиц, оптически прозрачных в видимом диапазоне и при этом обладающих донорно-акцепторными, координационными свойствами и/или высокой поляризуемостью гидрофобных участков и низким уровнем Ферми, задает уникальное сочетание характеристик создаваемых супрамолекулярных гибридов. Такие материалы обладают функциональной и механической устойчивостью, селективностью распознавания молекулярных субстратов и эффективностью их каталитических превращений с участием макроциклических металлоцентров, а также фотосенсибилизацией материала в видимом диапазоне. Кроме того гибриды такого типа обеспечивают разделение фотоиндуцированного заряда как в самих ПОВМОК, так и между ПОВМОК и неорганическими компонентами, способность к инициированию различных механизмов фотокатализа за счет протекания процесса в растворе, макро- и в микропорах гибрида и увеличение его фотокаталитической активности в водной среде за счет стабилизации фотоиндуцированного заряда ПОВМОК поляризуемым неорганическим компонентом. Реализация этой идеи открывает возможность для кооперативного сопряжения каталитической и фотокаталитической активности тетрапирролов и иницирования функциональных каскадов из последовательных каталитических и фотокаталитических реакций, позволяющих осуществлять синтез или диссоциацию исходных соединений и очистку реакционной смеси от побочных продуктов после удаления целевого продукта реакции за один технологический цикл в воде как наиболее экологически чистом растворителе. Основной упор в Проекте будет сделан на использование рецепторных и фотохимических свойств линкеров для реализации синергии и мультифункциональности создаваемых супрамолекулярных гибридов и управляемого переключения между их каталитическими и фотокаталитическими функциями. Предлагаемый новый метод самосборки макроциклических хромофоров на двумерных частицах-носителях, стабилизирующих самоорганизованные ПОВМОК-структуры в двухфазных системах, может стать одним из важнейших инструментов современных нанотехнологий, направленных на контролируемое получение супрамолекулярных функциональных материалов различного назначения. Достижение поставленных в проекте целей обеспечено навыками и опытом преимущественно молодежного авторского коллектива в выполнении инновационных, сложных по замыслу и непростых по экспериментальному исполнению задач, относящихся к получению и исследованию дисперсных систем, ультратонких организованных пленок, покрытий и супрамолекулярных ансамблей на межфазных границах из фотохромных, редокс-активных соединений, полимеров и наночастиц для сенсорики, фотоники и электроники. Использование комплекса современных методов исследования, имеющихся в распоряжении ИФХЭ РАН в рамках ЦКП ФМИ, обеспечит получение полной информации о структуре и свойствах гибридных систем на различных этапах их формирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Соколов М.Р., Тумбинский К.А., Варламова Е.А., Аверин А.А., Школин А.В., Калинина М.А. Noncovalent Self-Assembly of Single-Layer MoS2 Nanosheets and Zinc Porphyrin into Stable SURMOF Nanohybrids with Multimodal Photocatalytic Properties ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15, 42, 49299–49311 (год публикации - 2023)
10.1021/acsami.3c11698

2. М.А. Калинина Самосборка гибридных материалов на межфазных границах сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр 64 (год публикации - 2023)

3. К.О. Радыгин, Е.А. Гусарова, А.Е. Александров, М.А. Калинина Memristive effect in ultrathin hybrid films assembled from graphene oxide and polydiacetylene surfactant Book of Abstracts of International Conference «New Emerging Trends in Chemistry», стр. 88 (год публикации - 2023)

4. А.И. Звягина, А.Е. Александров, А.А. Аверин, И.Н. Сенчихин, М.Р. Соколов, А.Р. Тамеев, М.А. Калинина Одностадийная самосборка мультикомпонентных ультратонких пленок из оксида графена и органических хромофоров на межфазной границе для фотовольтаических приложении сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр. 58 (год публикации - 2023)

5. А.Г. Нугманова, М.А. Калинина Гибридные наноматериалы на основе порфириновых ПОВМОК и оксида графена для гетерогенного фотокатализа сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр. 65 (год публикации - 2023)

6. М.Р. Соколов, К.А. Тумбинский, Ю.Ю. Енакиева, А.Д. Япрынцев , А.А. Ширяев, А.И. Звягина, М.А. Калинина Самосборка гибридных материалов из органических хромофоров и низкоразмерных неорганических частиц сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр.69 (год публикации - 2023)

7. К.А. Тумбинский, М.Р. Соколов, М.А. Калинина Функционализация наночастиц MoS2 поверхностными МОК на основе порфиринатов для фотокаталитических приложении сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр. 70 (год публикации - 2023)

8. А.И. Горшкова, А.Г. Нугманова, М.А. Калинина Супрамолекулярные гибридные фотокатализаторы на основе оксида графена и фталоцианината цинка сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр. 172 (год публикации - 2023)

9. О.А. Ширяева, А.И. Звягина, О.О. Капитанова, М.А. Калинина Низкоразмерные сенсорные платформы на основе фотокаталитически-активных фталоцианинов для анализа 3,3',5,5'- тетраметилбензидина методом гигантского комбинационного рассеяния сборник тезисов Всероссийской конференции «Поверхностные явления в дисперсных системах», стр.256 (год публикации - 2023)

10. К.А. Тумбинский, М.Р. Соколов, М.А. Калинина Functionalization of single-layer MoS2 nanoflakes with porphyrin-based surface-attached MOFs for photocatalytic applications particles Book of Abstracts of International Conference «New Emerging Trends in Chemistry», стр. 325 (год публикации - 2023)

11. М.А. Калинина Interfacial self-assembly of functional supramolecular hybrids сборник тезисов VI Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (IC CCPCM), посвященная 125-летию со дня рождения П.А. Ребиндера», стр. 19 (год публикации - 2023)

12. М.Р. Соколов, Ю.Ю. Енакиева, А.Д. Япрынцев, А.А. Ширяев, А.И. Звягина , М.А. Калинина Self-assembly of hybrid materials from organic chromophores and low-dimensional inorganic particles Book of Abstracts of International Conference «New Emerging Trends in Chemistry», стр. 90 (год публикации - 2023)

13. А.Г. Нугманова , М.А. Калинина Novel ambivalent hybrid photocatalysts based on porphyrin SURMOFs and graphene oxide particles Book of Abstracts of International Conference «New Emerging Trends in Chemistry», стр. 250 (год публикации - 2023)

14. Нугманова А. Г., Горшкова А. И., Ягодин А. В., Аверин А. А., Калинина М. А. Noncovalent Stabilization of Water-Soluble Zinc Phthalocyaninate in Graphene Oxide Hydrosol Colloid Journal, Vol. 85, No. 6, pp. 781–794. (год публикации - 2023)
10.1134/S1061933X23600859

15. Афонюшкина Е.Ю., Ширяева О.А., Звягина А.И., Капитанова О.О., Веселова И.А., Калинина М.А. PHOTOCATALYTIC REAGENTLESS SENSOR SURFACE BASED ON PHTHALOCYANINES AND PLASMONIC STRUCTURES Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 5, стр. 76 (год публикации - 2024)

16. Нугманова А.Г., Калинина М.А. НОВЫЕ АМБИВАЛЕНТНЫЕ ГИБРИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ГЕТЕРОГЕННОГО ФОТОКАТАЛИЗА Сборник тезисов докладов XXV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке», том 2, стр. 311 (год публикации - 2024)

17. Звягина А. И., Александров А. Е., Аверин А.А., Сенчихин И.Н., Тамеев А.Р., Калинина М.А. СУПРАМОЛЕКУЛЯРНАЯ САМОСБОРКА МУЛЬТИКОМПОНЕНТНЫХ УЛЬТРАТОНКИХ ГИБРИДОВ ДЛЯ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ «В ОДИН ШАГ» Сборник тезисов докладов XXV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке», том 2, стр. 264 (год публикации - 2024)

18. Калинина М.А. COMBINATORIAL 2D-3D SELF-ASSEMBLY OF FUNCTIONAL HYBRID MATERIALS Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 5, стр. 56 (год публикации - 2024)

19. Соколов М.Р., Тумбинский К.А., Калинина М.А. NON-COVALENT SELF-ASSEMBLY OF HYBRID MULTIMODAL CATALYSTS BASED ON ORGANIC CHROMOPHORES AND LOW-DIMENSIONAL INORGANIC NANOPARTICLES Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 5, стр. 96 (год публикации - 2024)

20. Горшкова А.И., Нугманова А.Г., Калинина М.А. DEVELOPMENT OF METHODS FOR OBTAINING HYBRID SYSTEMS BASED ON GRAPHENE OXIDE AND ZINC PHTHALOCYANINATE Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 5, стр. 82 (год публикации - 2024)

21. Горшкова А.И., Нугманова А.Г., Калинина М.А. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ГРАФЕНА И ФТАЛОЦИАНИНАТА ЦИНКА Сборник тезисов докладов XXV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке», том 2, стр. 251 (год публикации - 2024)

22. Тумбинский К.А., Звягина А.И., Калинина М.А. ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАТОНКИХ ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПЛАНАРНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И ПРОИЗВОДНЫХ ПОЛИДИАЦЕТИЛЕНА ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 1, стр 574 (год публикации - 2024)

23. Звягина А.И., Александров А.Е., Тамеев А.Р., Калинина М.А. Самосборка Ультратонких Гибридных Материалов для Органической Электроники Книга тезисов III Всероссийской школы конференции с международным участием по биосовместимой электронике и робототехнике, стр. 15 (год публикации - 2024)

24. Нугманова А.Г., Калинина М.А. THE EFFICIENCY OF AMBIVALENT PHOTOCATALYSTS BASED ON PORPHYRINIC SURMOF AND GO Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 5, стр. 87 (год публикации - 2024)

25. Звягина А.И., Радыгин К.О., Александров А.А., Калинина М.А. SUPRAMOLECULAR ASSEMBLY OF ULTRATHIN HYBRIDS BASED ON GRAPHENE OXIDE AND ZINC PORPHYRINATE FOR ORGANIC ELECTRONICS Сборник тезисов докладов XXII Менделеевского Съезда по общей и прикладной химии, том 5, стр. 75 (год публикации - 2024)

26. Калинина М.А. Non-covalent self-assembly of hybrid materials for heterogeneous photocatalysis Book of Abstracts 3rd International Symposium “Noncovalent Interactions in Synthesis, Catalysis, and Crystal Engineering” , стр. 15 (год публикации - 2024)

27. Горшкова А.И., Нугманова А.Г., Калинина М.А. Разработка методов получения гибридных систем на основе оксида графена и фталоцианината цинка Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2024» / Секция "Химия"/ Подсекция «Химическая технология и новые материалы», стр. 23 (год публикации - 2024)

28. Нугманова А.Г., Соколов М.Р., Александров А.Е., Князева М.А., Еремчев И.Ю., Наумов А.В., Бухвалов Д.В., Кёниг Б., Калинина М.А. External electric field enhances graphene oxide-hybrid visible light photocatalytic activity. J. Mater. Chem. A, J. Mater. Chem. A, 2025, Advance Article (год публикации - 2024)
10.1039/D4TA06034B

29. Калинина М.А. КОМБИНАТОРНАЯ САМОСБОРКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ГИБРИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ: ХИМИЧЕСКИЙ ОБРАЗ БУДУЩЕГО Сборник тезисов докладов XXV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке», том 1, стр. 26 (год публикации - 2024)

30. Тумбинский К.А., Калинина М.А. УЛЬТРАТОНКИЕ ГИБРИДНЫЕ ПЛЕНКИ НА ОСНОВЕ ПЛАНАРНЫХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ И ПРОИЗВОДНЫХ ПОЛИДИАЦЕТИЛЕНА ДЛЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ Сборник тезисов докладов XXV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке», том 2, стр. 338 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на решение фундаментальной междисциплинарной проблемы на стыке супрамолекулярной химии, коллоидной химии, химии материалов и физической химии гибридных систем, связанной с разработкой базовых принципов управления сборкой иерархических дисперсных систем с целью получения новых гибридных материалов с мультимодальной (фото)каталитической активностью. Твердые фотокатализаторы – это активно развивающийся класс современных «зеленых» материалов, способных преобразовывать энергию света в полезную химическую работу для решения различных задач: от очистки воды от органических загрязнителей, до синтеза горючего топлива из CO2. В то же время эффективность существующих полупроводниковых фотокатализаторов, работающих за счет поглощения ультрафиолета, недостаточна для активного промышленного применения, поскольку УФ-свет составляет лишь малую долю солнечного спектра. Передача дополнительной энергии в такие материалы, например, за счет внешних полей, может решить эту проблему, повысив эффективность фотокатализаторов. В 2024-м году при выполнении Проекта удалось разработать принципиально новый бесконтактный метод ускорения фотокаталитических реакций в присутствии гибридных фотокатализаторов на основе оксида графена, одного из самых дешевых и доступных полупроводников, и органических красителей, которые делают материал чувствительным к видимому свету, при бесконтактном воздействии внешнего статического электрического поля между обкладками воздушного конденсатора. Поскольку оксид графена обладает высокой восприимчивостью к электромагнитным полям, такой материал может «чувствовать» воздействие поля, ускоряющего передачу электронов в химическую реакцию при облучении ячейки. Предложенный метод позволяет добиться двукратного ускорения реакции фоторазложения органического загрязнителя дигидроксинафталина в воде в присутствии созданных фотокатализаторов. Применение предложенного подхода для ускорения органического синтеза в неполярных растворителях с высокой проницаемостью электрического поля потенциально позволит добиться еще более высокой эффективности фотокатализа. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A (IF 10.7): DOI: 10.1039/D4TA06034B Технологии на основе бесконтактных фотокаталитических ячеек с внешними источниками электроэнергии будут более доступны, дешевы и экологичны, чем те, что используются сейчас для обычного электрофотокатализа. Использование конденсаторов, которые можно заряжать с помощью солнечной энергии, открывают возможность для создания полностью автономных фотокаталитических ячеек, работающих исключительно от «зеленых» источников энергии без подключения к сети. Предложенный подход ускорения фотокаталитических реакций будет перспективен как для создания доступных и мобильных очистных фотокаталитических станций, так и в синтетических целях.

Публикации