КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 18-13-00066

НазваниеОргано-лантаноидные комплексы как материалы для разработки принципов прямого преобразования энергии ионизирующего излучения в световую энергию и электрический ток

РуководительБочкарев Михаил Николаевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук, Нижегородская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2018 - 2020

КонкурсКонкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-203 - Химия координационных соединений

Ключевые словаОргано-лантаноид, координационные соединения, синтез, радиационная устойчивость, ионизирующее излучение, радиолюминесценция, фотолюминесценция, органические радиовольтаические ячейки, трансформирование энергии

Код ГРНТИ31.17.29


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность предлагаемого исследования обусловлена потребностью в разработке альтернативных источников энергии и энергосберегающих систем. Проект предусматривает разработку материалов и устройств, использующих для преобразования все виды ионизационного излучения (ИИ), включая излучения от распада радиоактивных элементов и космическое излучение. Ключевым моментом проекта и главным элементом новизны является использование в качестве функциональных материалов в энергопреобразующих системах металл-органических (главным образом органо-лантаноидных) и органических соединений. Проект предусматривает проведение работ по двум основным направлениям: разработка систем, генерирующих электрический ток, и систем, генерирующих излучение в видимом и ближнем ИК диапазонах. В обоих направлениях начальный этап включает исследование радиационной стойкости соединений, планируемых для дальнейшего использования в устройствах, функционирующих в условиях облучения нейтронами, гамма- и рентгеновскими квантами с энергиями 3 – 5 МэВ, а также вторичными электронами с энергиями до 1 МэВ. Прежде всего будут испытаны комплексы редкоземельных металлов, синтезированные ранее участниками проекта и показавшие высокие рабочие характеристики в модельных фотовольтаических ячейках (OPV) и светодиодных устройствах (OLED). Эта область исследований представляет самостоятельную фундаментальную ценность, поскольку ранее изучение изменения молекулярного строения и, возможно, элементного состава металлокомплексов (тем более лантаноидных) под воздействием высокоэнергетических излучений не проводилось. При обнаружении закономерностей будет осуществлен целенаправленный синтез новых соединений с повышенной стабильностью. Наиболее устойчивые материалы будут использованы для конструирования энергопреобразующих устройств. В многослойных планарных радиовольтаических ячейках (РВЯ) нанослой металлокомплекса будет играть роль донора электронов, слой акцептора – фуллерен С60 или замещенный фуллерен PCBM. Материалы вспомогательных слоев и электродов будут выбраны на основе результатов тестирования в условиях радиации. Приготовленные модельные РВЯ будут подвергаться импульсному и непрерывному воздействию ИИ с одновременной регистрацией вольт-амперных кривых, что позволит определить эффективность преобразования энергии. Радиолюминесцентные свойства будут испытаны на однослойных и двухслойных модельных системах. В число регистрируемых характеристик включены спектр свечения и его интенсивность в зависимости от энергии и продолжительности облучения. Материалы с лучшими показателями будут использованы при конструировании прототипов светоизлучающих устройств. Следующий этап проекта включает приготовление сдвоенного устройства – OLED/OPVС (Organic Photovoltaic Cell, фотовольтаическая ячейка). Схема превращения энергии в устройстве: ИИ  фотоны  электроны. В качестве OPVС будет использовано оптимизированное устройство с наибольшей эффективностью преобразования и спектром поглощения, совпадающим со спектром эмиссии радиолюминесцентного слоя. Зависимость напряжения и тока устройства от мощности облучения позволит определить общую эффективность энергопреобразования.

Ожидаемые результаты
В результате реализации проекта будет получен ответ на вопрос о принципиальной возможности использования металл-органических, в частности, органо-лантаноидных соединений в качестве оптоэлектронных материалов в условиях радиационного и космического облучения, получены данные о радиационной устойчивости органо-лантаноидных соединений, зависимости устойчивости от элементного состава веществ. Будет установлена возможность и основные закономерности трансформирования энергии ИИ в световое излучение и электрический ток на металл-органических полупроводниках,, определена эффективность превращения, зависимость эффективности от вида и энергии излучения. Будет разработана схема и сконструировано модельное сдвоенное радиолюминесцентное/фотовольтаическое устройство, определены особенности его функционирования и эффективность. Данные о конструировании и исследовании светоизлучающих и/или радиовольтаических устройств на основе металл-органических материалов в открытых литературных источниках отсутствуют, также как исследования радиационной стойкости органо-лантаноидных материалов. Имеющиеся две работы по изучению радиолюминесцентных свойств ионов лантаноидов в органической матрице опубликованы в журналах с ИФ выше 4. Полученные результаты могут быть востребованы при конструировании автономных источников электроэнергии с длительным сроком функционирования, устройств отображения информации и освещения, предназначенных для работы в космосе, в радиоактивных зонах атомных электростанций, на территориях и объектах, подвергшихся радиоактивному облучению.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Синтезирован ряд новых органо-лантаноидных комплексов – перфторированных (2-оксифенил)бензотиазолятов Ln(OONf)3(DME) (Ln = Sc, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, Er, Yb). Определены их основные физико-химические характеристики. Методом РСА установлено молекулярное строение комплексов Sc(SONf)3 и Er(SONf)3(MeOH)4. В отличие от ранее полученных не фторированных аналогов, комплексы в твердом состоянии не образуют димеров. На комплексах [La(NpSON)3]2, [Nd(NpSON)3]2, [Sm(NpSON)3]2, [EuNpSON)3]2 , [Ce(OON)3]2 и Ln(SONf)3(DME) (Ln = Sc, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, Er, Yb) определен уровень наведенной радиоактивности при обработке гамма-нейтронам излучением с поглощенной дозой 130 крад при флюенсе нейтронов 3.6 1013 н/см2 и 290 крад при флюенсе 2.21014 н/см2. На металлокомплексах подобное исследование выполнено впервые. Установлено, что уровень и продолжительность наведенной радиоактивности зависит от природы входящего в комплекс металла и определяется периодом полураспада образующихся изотопов. Образование нуклидов свидетельствует о протекании ядерной реакции в металлокомплексах. В отличие от хорошо известных химических реакций металлокомплексов, протекающих с участием валентных электронов, ядерные реакции на органических и металл-органических соединениях ранее не проводились. Впервые проведено компьютерное и экспериментальное исследование радиационной стойкости органо-лантаноидных комплексов и некоторых органических соединений, использующихся в оптоэлектронных устройствах. Исследование изменений в металлокомплексах под действием мощного нейтронного и гамма-излучения выполнено на молекулярном уровне. Рентгеноструктурный анализ комплекса церия [Ce(OON)3[2 до и после обработки ,n - излучением показал отсутствие изменений в строении молекул и упаковке кристаллов. Отсутствие после облучения изменений в цвете образцов, форме микрокристаллов, кристаллическом строении, ИК-спектре и спектре фотолюминесценции свидетельствует о высокой радиационной стойкости органо-лантаноидных комплексов. Это открывает пути практического использования органо-лантаноидных комплексов в приборах, предназначенных для работы в условиях повышенной радиации. Установлено, что комплексы Tb(acac)3(H2O)3, [Dy(NON)3]2, Eu(TTA)3(DME)2 и EuI2 при возбуждении рентгеновским излучением обнаруживают люминесценцию, спектр которой характерен для ионов Tb3+, Dy3+, Eu3+ и Eu2+. Интенсивность РЛ существенно ниже интенсивности ФЛ тех же соединений, что, предположительно, объясняется разницей в плотности потока падающих фотонов при возбуждении рентгеном и УФ-светом. Различие между РЛ и ФЛ проявляется также в относительной интенсивности полос эмиссии, что свидетельствует о различных механизмах возбуждения.

 

Публикации

1. Балашова Т.В. Новые эффективные ИК-эмиттеры на основе фторированных бензотиазолятных комплексов Nd, Sm, Er, Yb СПЕКТРОСКОПИЯ КООРДИНАЦИОННЫХ СОЕДИНЕНИЙ Школа молодых ученых по современным физикохимическим методам в координационной химии Тезисы докладов XV Международной конференции, 109-110 (год публикации - 2018).

2. Блинова Л.И. Visible and NIR-luminescent lanthanide complexes with perfluorinated 2-mercaptobenzothiazolate ligands 4th International Fall School on Organic Electronics and Satellite event “IFSOE Sensor Day“, 71 (год публикации - 2018).

3. Бочкарев М.Н. Radioluminescence and radiovoltaic with metal‐organic materials The Russian cluster of conferences on inorganic chemistry "inorgchem 2018", 41-42 (год публикации - 2018).

4. Ильичев В. А. LANTHANIDE COMPLEXES WITH SOFT-BASE ORGANOSULFIDE LIGANDS. NEW ASPECTS OF SENSITIZATION AND LUMINESCENCE ICFE 10 10th International Conference on f-Elements, P-5-08 (год публикации - 2018).

5. Оболенский С.В., Кукинов А.А., Балашова Т.В., Труфанов А.Н., Ивин М.Н., Кузнецова О.В., Бочкарев М.Н. Компьютерное моделирование деструкции органических комплексов лантаноидов под действием ионизирующего излучения Координационная химия, - (год публикации - 2019).

6. Хананова А.В., Оболенский С.В. Development of a Physical-Topological Model for the Response of a High-Power Vertical DMOS Transistor to the Effect of Pulsed Gamma-Radiation Semiconductors, No. 11, Vol. 52, pp. 1477–1483 (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Синтезировано 16 новых органо-ланатаноидных комплексов с перфторированными и нефторированными (бензотиазолил)фенолятными лигандами. Продукты охарактеризованы основными физико-химическими методами, включая колебательную спектроскопию, электронную спектроскопию поглощения и эмиссии, рентгеноструктурным анализом. Тестирование радиационной устойчивости комплексов под действием n,-излучения показало, что соединения обладают высокой стабильность, такой же, как у ранее исследованных соединений. Исследование радиационной устойчивости, проведенное на модельных светоизлучающих и радивольтаических ячейках, показало их низкую стабильность. Поскольку тестирование проводилось не оптимальным методом, полученный результат требует дополнительной проверки. Проведены предварительные исследования радиовольтаических свойств металл-органических комплексов. На примере фталоцианинового комплекса кремния и фталоцианина цинка установлено, что металл-органические комплексы в составе планарных гетеропереходных ячеек обнаруживают рентгеновольтаический эффект. Полученные рабочие характеристики модельных устройств значительно ниже, чем характеристики, регистрируемые при освещении видимым светом. Найдено, что введение в ячейку дополнительного слоя лантаноид-органических люминофоров приводит к повышению эффективности фотон-электронного преобразования на 40-60 %.

 

Публикации

1. - Российские химики открыли материалы, стойкие к действию радиации Наука ТАСС, 16 ОКТ, 12:29 (год публикации - ).

2. - Ученые открыли новый устойчивый к радиации материал газета.ru, 16.10.2019 | 15:53 (год публикации - ).

3. - «Все молекулы остались неизменными»: российские учёные нашли устойчивые к радиации соединения RT на русском, 16 октября 2019, 21:58 Арсений Скрынников (год публикации - ).

4. - Российские ученые обнаружили соединения для АЭС нового поколения РИА Наука, 12:16 17.10.2019 (обновлено: 10:09 18.10.2019) (год публикации - ).

5. - Химики из Нижнего Новгорода открыли материалы с необычно высокой радиационной устойчивостью Научная Россия, 23 октября 2019 г., 20:44 (год публикации - ).

6. - АЭС будущего: российские ученые открыли стойкие к радиации материалы EurAsiaDaily, 17 октября 2019 01:24 (год публикации - ).

7. - Обнаружены устойчивые к радиации металлоорганические материалы Indicator, 20 ОКТЯБРЯ В 14:21 (год публикации - ).

8. - Российские ученые обнаружили соединения для АЭС нового поколения Рамблер, РИА НОВОСТИ 17 октября 2019 (год публикации - ).

9. - Российские учёные нашли устойчивые к радиации соединения Рамблер, RT НА РУССКОМ 16 октября 2019 (год публикации - ).

10. - Ученые открыли новый устойчивый к радиации материал Рамблер, ГАЗЕТА.RU 16 октября 2019 (год публикации - ).

11. - Российские химики открыли материалы, стойкие к действию радиации РНФ, 16 октября 2019 г., метки: Химия и материалы, источник: ТАСС (год публикации - ).

12. - Резистентные к радиации металлоорганические комплексы лантаноидов Labstol, 24.09.2019 г. (год публикации - ).

13. - Обнаружены устойчивые к радиации металлоорганические материалы БиоTех2030, - (год публикации - ).

14. А.А. Кукинов, М.Н. Ивин, А.Н. Труфанов, М.Н. Бочкарев Radioluminescent properties of organo-lanthanides Book of abstract "5th euchems inorganic chemistry conference", p.265 (год публикации - 2019).

15. А.А. Кукинов, Т.В. Балашова, В.А. Ильичев, А.Н. Труфанов, М.Н. Ивин, С.В. Оболенский, М.Н. Бочкарев X-Ray excited luminescence of organo-lanthanide complexes Physical Chemistry Chemical Physics, Vol. 21, Issue 29, 16288-16292 (год публикации - 2019).

16. Л.И. Силантьева, В.А. Ильичев, А.Ф. Рогожин, А.С. Шавырин, А.Н. Яблонский, Р.В. Румянцев, Г.К. Фукин, М.Н. Бочкарев Synthesis and luminescent properties of europium diiodide coordinated with perfluorinated 2-mercaptobenzothiazolate ligands Journal Global Chemical Engineering & Process Technology "2nd Euro Chemistry Conference", Vol.2, Issue 1, p.43 (год публикации - 2019).

17. М.Н. Бочкарев ОРГАНО–ЛАНТАНОИДНЫЕ КОМПЛЕКСЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ n, γ-ИЗЛУЧЕНИЯ Сборник тезисов "5 Российский День Редких Земель", с.1 (год публикации - 2019).

18. Т.В. Балашова, В.А. Ильичев, Р.В. Румянцев, Г.К. Фукин, А.Н. Яблонский, Б.А. Андреев, М.Н. Бочкарев New effective phosphors based on fluorinated benzotiazolate lanthanide complexes Book of abstract "5th euchems inorganic chemistry conference", p.198 (год публикации - 2019).

19. Т.В. Балашова, М.Е. Бурин, В.А. Ильичев, А.А. Старикова, А.В. Маругин, Р.В. Румянцев, Г.К. Фукин, А.Н. Яблонский, Б.А. Андреев, М.Н. Бочкарев Features of the molecular structure and luminescence of rare-earth metal complexes with perfluorinated (Benzothiazolyl)phenolate Ligands Molecules, Vol. 24, Issue 13, 2376 (год публикации - 2019).

20. Т.В. Балашова, С.В. Оболенский, А.Н. Труфанов, М.Н. Ивин, В.А. Ильичев, А.А. Кукинов, Е.В. Баранов, Г.К. Фукин, М.Н. Бочкаркев Impact of n,γ-irradiation on organic complexes of rare earth metals Scientific Reports, Vol. 9, Issue 1, 13314 (год публикации - 2019).

21. Т.В. Балашова, С.К. Полякова, Р.В. Румянцев, Г.К. Фукин, А.А. Старикова, М.Н. Бочкарев СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА КОМПЛЕКСА СКАНДИЯ С ФТОРИРОВАННЫМИ БЕНЗОТИАЗОЛЬНЫМИ ЛИГАНДАМИ Сборник тезисов "5 Российский День Редких Земель", с.43 (год публикации - 2019).