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 21-49-00039

НазваниеКомпозиты и гетероструктуры на основе BN для высоэффективных фотокатализаторов и фотодетекторов

РуководительШтанский Дмитрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2021 г. - 2023 г.

Конкурс№52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова2D наноструктуры, гетероструктуры, гексагональный BN, ферригидрит, дихалькогениды переходных металлов, фталоцианины металлов, фотокатализаторы, фотоприемники

Код ГРНТИ61.31.55

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема утилизации углекислого газа и очистки сточных вод от вредных и токсичных примесей имеет высокую актуальность и научную значимость. Постоянное и нарастающее загрязнение окружающей среды (атмосферы и водных ресурсов) выбросами антропогенного характера является проблемой планетарного масштаба. Промышленные выбросы CO2 приводят к появлению парникового эффекта и глобальному потеплению, которое может стать катастрофой для всего человечества. Кроме того, активная человеческая жизнедеятельность, включая использование фармацевтических препаратов, средств личной гигиены и сельскохозяйственных удобрений, приводит к появлению новых загрязнителей, которые сложно удалить с помощью доступных в настоящее время технологий. В связи с быстрой индустриализацией, все большее количество сточных вод содержит органические загрязнители и тяжелые металлы. Зачастую высокая химическая стабильность этих соединений затрудняет их деградацию с помощью традиционных методов очистки воды. Для решение этих глобальных научных и технологических вызовов необходима разработка технологий очистки атмосферных выбросов и сточных вод от вредных и токсичных примесей. В последнее время наблюдается существенный прогресс в области создания высокопроизводительных фотоприемников, работающих в среднем диапазоне ультрафиолетового излучения. Основной сферой применения таких детекторов являются системы обнаружения пламени, детекторы химических/биологических веществ, системы обнаружения следов ракет, мониторинг озонового слоя, а также системы для коммуникации спутников, подводных лодок и т. п. Основной целью международного научного проекта является разработка перспективных наноматериалов на основе гексагонального нитрида бора для фотокатализаторов (российский научный коллектив) и фотодетекторов (зарубежный научный коллектив). Общность обоих направлений связана с тем что, интенсивность фототока (важнейшая характеристика фотодетекторов), как правило, определяется эффективностью образования и разделения фотозарядов, что, в свою очередь, соответствует более высокой фотокаталитической активности. Поэтому исследования гибридных наноматериалов в качестве фотокатализаторов и фотодетекторов являются взаимодополняющими. Кроме того, реализация настоящего проекта позволит не только расширить компетенции каждого научного коллектива за счет получения новых знаний в области фотокатализа и фотодетекторов, но и выявить наиболее перспективные области применения для каждого типа разработанных гетероструктур. В первый год выполнения проекта российским научным коллективом будут исследованы индивидуальные материалы, составляющие гетеропереход. В качестве широкозонного полупроводника будет исследован двумерный нитрид бора, допированный углеродом (2D h-BNC). Будет изучено влияние углерода на его электронные свойства: ширину запрещенной зоны, спектральную чувствительность, концентрацию фотоиндуцированных носителей и их подвижность. Также будет изучено влияние концентрации углерода и методов синтеза h-BNC на структуру: периоды кристаллической решетки и дефектность. В качестве узкозонных полупроводников будут изучены MoS2, WS2 и ферригидрит. Эти материалы будут синтезированы в виде двумерных наноструктур и также будут исследованы их электронные свойства и структурные характеристики в зависимости от методов или условий синтеза. Будет выполнено теоретическое моделирование электронной структуры этих двумерных наноматериалов с использованием методов теории функционала плотности. Во второй год будет синтезирован ряд фталоцианиновых комплексов переходных металлов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn) и разработана методика их нанесения на 2D наноструктуры: h-BNC, MoS2, WS2 и ферригидрит. Будут изучены фотопроводимость и спектральная чувствительность полученных материалов в зависимости от переходного металла фталоцианинового комплекса и толщины фталоцианина. Будут исследованы фотокаталитические свойства этих материалов в реакциях восстановления СО2 и окисления органических соединений и определены наиболее активные фталоцианины. Будет выполнено теоретическое моделирование электронной структуры двумерных наноматериалов, модифицированных фталоцианиновыми комплексами, с использованием методов теории функционала плотности. В третий год будут синтезированы двумерные гетеропереходы: MoS2/h-BNC, WS2/ h-BNC, ферригидрит/h-BNC с оптимальной зонной структурой. Гетеропереходы будут синтезированы суспензионным методом. Для каждого гетероперехода будут получены h-BNC наноструктуры с определенной концентрацией углерода, для согласования его ширины запрещенной зоны с шириной зоны узкозонного полупроводника (MoS2, WS2, ферригидрит). Будет изучено состояние границы гетеропереходов, в частности деформация (напряжение), в результате рассогласования периодов их кристаллической решетки. Будут изучены фотокаталитические свойства этих материалов в реакциях восстановления СО2 и окисления различных органических соединений. Гетеропереходы, показавшие наилучшие фотокаталитические свойства, будут дополнительно сенсибилизированы наиболее активными фталоцианинами, определенными на втором этапе проекта и будут изучены их фотокаталитические свойства. Методами теоретического моделирования будут определены зонные структуры синтезированных гетеропереходов. Будет проведен анализ полученных результатов и определены параметры гетеропереходов, позволяющие получить наибольшую эффективность фотокаталитических процессов. Научная новизна предполагаемого исследования состоит в научно-обоснованном дизайне новых типов гетероструктур, способных обеспечить высокоэффективное фотокаталитическое восстановления углекислого газа и окисление устойчивых органических примесей в водных растворах. Реализация проекта подразумевает постановку и решение российским научным коллективом ряда новых научных задач: 1. Впервые будет изучено влияние состава двух- и трехкомпонентных гетероструктур на основе широкозонного гексагонального нитрида бора, допированного углеродом (BNCx), узкозонных дисульфидов молибдена и/или вольфрама и ферригидрита со средним значением ширины запрещённой зоны на их структурные, физико-химические и оптические характеристики, а также на их фотокаталитическую активность в реакциях восстановления углекислого газа и окисления устойчивых органических соединений. 2. Впервые будет изучено влияние нанесения фталоцианиновых комплексов переходных металлов на поверхность двумерных наночастиц допированного углеродом гексагонального нитрида бора, дисульфидов молибдена и вольфрама, ферригидрита на их структурные, физико-химические и оптические характеристики, а также на их фотокаталитическую активность в реакциях восстановления углекислого газа и окисления устойчивых органических соединений. 3. Впервые будут созданы композиционные наноматериалы в системах MoS2/h-BNC, WS2/h-BNC, ферригидрит/h-BNC, составные части которых отличаются шириной запрещённой зоны, что позволит обеспечить высокие фотокаталитические характеристики в широком диапазоне длин волн видимого света. Использование фталоцианиновых комплексов для фотосенсибилизации полупроводниковых материалов позволит дополнительно увеличить эффективность аккумулирования световой энергии. Для синтезированных материалов впервые будет определена ширина запрещённой зоны. 4. Впервые будет проведено теоретическое моделирование электронной структуры гибридных систем на основе фталоцианиновых комплексов переходных металлов, BCNx, MoS2, WS2 и ферригидрита, а также гетероструктур из данных двумерных наноструктур, их взаимодействия между собой и с компонентами фотокаталитических реакций, а также экспериментальная верификация моделей. Зарубежным научным коллективом будут синтезированы различные типы гетероструктур типа полупроводник/полупроводник (ПП/ПП), ПП/благородные металлы, ПП/графен, графен/h-BN/ПП, металлы/h-BN/ПП. Будет изучено влияние различных параметров синтеза на морфологию, структуру и химический состав поверхности раздела композитов и гетероструктур на основе BN. Будут созданы микро- и наноструктуры типа «ядро-оболочка»Ю а также коаксиальные структуры. Структурные характеристики новых материалов будут регулироваться путем варьирования параметров процесса их получения (температуры, давления и атмосферы). Будут определены каталитические и фотоэлектрические свойства, а также электрические характеристики композитов и гетероструктур на основе BN. Будут изучены структура границ раздела и свойств поверхности синтезированных материалов. Изменения состояния поверхности/интерфейса до и после фотокатализа, а также в результате фотоэлектрического преобразования, будут изучаться с использованием in-situ просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Будут определены типы, концентрация и распределение дефектных состояний с использованием методов фотолюминесцентной спектроскопии и катодолюминесцентной спектроскопии. С помощью методов теоретического моделирования будет изучена зонная структура и поведения носителей на границе интерфейсов. Будет выполнена оптимизация фотокаталитической активности и свойств фотоприемников, определены механизмы катализа и фотодетектирования. Будет выявлены роль h-BN в фотокатализаторах и оптоэлектрических преобразователях и обобщены механизмы катализа и фотодетектирования.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты проекта, полученные российским научным коллективом, по годам Ожидаемые результаты по итогам 1го года выполнения проекта. 1. Будут установлены основные закономерности влияния параметров синтеза наноструктур BNСx на их морфологию, кристалличность, элементный и фазовый состав. 2. Будет выявлено влияние углерода на электронные свойства 2D h-BN: ширину запрещенной зоны, спектральную чувствительность, концентрацию фотоиндуцированных носителей и их подвижность. 3. Будут получены двумерные структуры ферригидрита и установлены основные закономерности влияния параметров синтеза на элементный и фазовый состав, размер частиц, удельную площадь поверхности, размер пор, ширину запрещённой зоны и стабильность суспензий частиц в различных средах. 4. Будут синтезированы двумерные наноструктуры MoS2 и WS2, а также исследованы их электронные свойства и структурные характеристики в зависимости от методов и условий синтеза. 5. Будут получены результаты измерения фотокаталитической активности двумерных наночастиц BNСx, MoS2 (WS2) и ферригидрита в реакциях восстановления углекислого газа и окисления устойчивых органических соединений. 6. Будут проведено моделирование структуры и энергии связи функционализированных фталоцианинами двумерных структур гексагонального нитрида бора, дихалькогенидов переходных металлов и ферригидрита. 7. Будут подготовлены научные публикации. Ожидаемые результаты по итогам 2го года выполнения проекта: 1. Будут получены фталоцианиновые комплексы переходных металлов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn) и разработана методика их нанесения на двумерные наноструктуры; 2. Будут изучены фотопроводимость и спектральная чувствительность полученных материалов в зависимости от переходного металла фталоцианинового комплекса и толщины его слоя; 3. Будут исследованы фотокаталитические свойства этих материалов в реакциях восстановления СО2 и окисления органических соединений и определены наиболее активные фталоцианины. 4. Будут изучены электронные структуры двумерных наноматериалов, модифицированных фталоцианиновыми комплексами, при помощи компьютерного моделирования, в рамках теории функционала плотности. 5. Будут подготовлены научные публикации. Ожидаемые результаты по итогам 3го года выполнения проекта 1. Будут синтезированы двумерные гетеропереходы: MoS2/h-BNC, WS2/h-BNC, ферригидрит/h-BNC с оптимальной зонной структурой. 2. Будет изучено состояние границы гетеропереходов, в частности деформация (напряжение) в результате рассогласования их кристаллических решеток. 3. Будут определены фотокаталитические свойства материалов в реакциях восстановления СО2 и окисления устойчивых органических соединений. 4. Гетеропереходы, показавшие наилучшие фотокаталитические свойства, будут дополнительно сенсибилизированы наиболее активными фталоцианинами, определенными на втором этапе проекта и будут изучены их фотокаталитические свойства в реакциях восстановления СО2 и окисления органических соединений. 5. Методами теоретического моделирования будут определены электронные структуры синтезированных гетеропереходов. 6. Будет проведен анализ полученных результатов и определены параметры гетеропереходов, позволяющие получить наибольшую эффективность фотокаталитических процессов. 7. Будут подготовлены научные публикации. Сфера применения разрабатываемых гибридных наноструктур достаточно широкая. В области фотокатализа они могут применяться для расщепления воды с целью производства водородного топлива, диссоциации летучих органических загрязнителей, деградации красителей, инактивации раковых клеток, органического синтеза и др. Гибридные 2D наноструктуры находят применение в детекторах обнаружения пламени и химических/биологических веществ, системах обнаружения следов ракет, мониторинга озонового слоя, а также системах для коммуникации спутников, подводных лодок и т. п. Таким образом, полученные при реализации проекта новые научные результаты и разработанные гетерогенные наноматериалы будут востребованы во многих областях науки и техники, таких как «зеленая» химия, энергетика, медицина, приборостроение и системы навигации. Все это свидетельствует о масштабности и комплексности решаемых в проекте задач. Полученные результаты будут соответствовать мировому уровню, так как разработанная комплексная научная программа исследований базируется на детальной проработке научной литературы, основывается на хорошем научном заделе, проведены пробные эксперименты, подтверждающие правильность предложенных гипотез и выбранных подходов, коллектив международных исполнителей имеет высокий уровень компетенций, о чем, в частности, свидетельствуют имеющиеся патенты, ноу-хау, публикации в журналах Q1 по тематике исследований, многочисленные награды, полученные на международных выставках и салонах изобретений, в распоряжении научного коллектива имеется необходимое оборудование для достижения целей и решения основных задач проекта. В состав научного коллектива входят физики, химики и материаловеды, что будет способствовать получению разносторонних научных результатов мирового уровня.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Сульфид молибдена является многообещающим катализатором для фотодеградации органических загрязняющих веществ в воде. Его фотокаталитическая активность во многом связана с образованием ненасыщенных серных связей и она увеличивается с внесением структурных дефектов и/или кислородного замещения. Аморфный сульфид молибдена (a-MoSxOy) с кислородными замещениями имеет много активных центров, которые создают благоприятные условия для повышенной каталитической активности. Нами разработан новый подход к синтезу a-MoSxOy и продемонстрирована его высокая активность в фотодеградации красителя метиленового синего (МБ). MoSxOy был нанесен на наночешуйки гексагонального оксинитрида бора (h-BNO) путем взаимодействия h-BNO, MoCl5 и H2S в диметилформамиде (ДМФ) при 250 ° C. Результаты рентгеноструктурного анализа и ПЭМ высокого разрешения показали отсутствие кристаллического порядка в a-MoSxOy. На основе результатов спектроскопии комбинационного рассеяния света и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, а также анализа с помощью теории функционала плотности (DFT) была предложена цепная структура a-MoSxOy, состоящая из кластеров MoS3 с частичным замещение серы кислородом. Показано что, когда треть атомов серы заменяется кислородом, ширина запрещенной зоны a-MoSxOy составляет примерно 1,36 эВ, а валентная зона и зона проводимости соответственно 0,74 эВ и −0,62 эВ (относительно стандартного водородного электрода), что удовлетворяет условиям фотоиндуцированного расщепления воды. При освещении ртутной лампой наногибриды a-MoSxOy/h-BNxOy имеют удельную массовую активность при фотодеградации МБ примерно 5,51 ммоль г-1 ч-1, что, по крайней мере, в четыре раза выше, чем опубликованные на данный момент значения для неметаллических катализаторов. Фотокатализатор оказался очень стабильным и его можно использовать повторно. Результаты опубликованы в журнале Nanomaterials (Q1, импакт фактор 5.097) https://www.mdpi.com/2079-4991/11/12/3232

Публикации

1. А.Т. Матвеев, А.С. Конопацкий, Д.В. Лейбо, И.Н. Новиков, А.М. Ковальский, Л.А. Варламова, П.Б. Сорокин, Х. Фан, С.А. Кулинич, Д.В. Штанский Amorphous MoSxOy/h-BNxOy Nanohybrids: Synthesis and Dye Photodegradation Nanomaterials, 11(12) (2021) 3232 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/nano11123232

2. Васильева А.А., Лейбо Д.В. Влияние механической активации гексагонального нитрида бора на фотокаталитическую активность в реакции окисления фенола в водных растворах Современные твердофазные технологии: теория, практика, и инновационный менеджмент, Материалы XIII Международной научно-инновационной молодежной конференции "Современные твердофазные технологии: теория, практика, и инновационный менеджмент", 2021, стр. 115-117 (год публикации - 2021)

3. Конопацкий А.С. РАЗРАБОТКА ГЕТЕРОГЕННЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЫШЕННЫМИ АДСОРБЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ Материалы XVIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», Материалы XVIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», Москва, ИМЕТ РАН, 30-нлября - 3 декабря 2021 г. (год публикации - 2021)

4. Х. Лю, С. Ли, З. Ли, И. Чанг, В. Янг, З. Ли, Х. Лю, Д.В. Штанский, Х. Фан Boosted Responsivity and Tunable Spectral Response in B-Site Substituted 2D Ca2Nb3−xTaxO10 Perovskite Photodetectors Advanced Functional Materials, 2021, 2101480 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1002/adfm.202101480

5. - Повышенная эффективность: учёные создали наногибриды для очистки воды от органических загрязнений Россия Сегодня (RT), https://russian.rt.com/science/article/936878-ochistka-vody-izobretenie (год публикации - )

6. - Повышенная эффективность: учёные создали наногибриды для очистки воды от органических загрязнений РНФ, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Разработан новый протокол для двухэтапного CVD-синтеза композитов MoS2/AC с помощью карботермического восстановления, который позволяет формировать тонкие слои MoS2 на гранулах пористого активированного угля (AC). Использование AC в качестве субстрата для порошка MoO3 облегчает реакцию восстановления и образование промежуточного продукта MoO3-x посредством карботермической реакции при повышенных температурах. После синтеза при 600°C поверхность частиц оксида молибдена была плотно покрыта горизонтально ориентированными треугольными нанолистами (НС) MoS2. Также наблюдалось значительное количество кислородсодержащих фаз, что связано с относительно низкой температурой реакции и незавершенностью процесса синтеза. При 700°С формировались более толстые горизонтально ориентированные НС MoS2, на поверхности которых вырастали тонкие вертикально ориентированные НС MoS2. Повышенная фотокаталитическая активность материалов MoS2/AC в реакции разложения красителей метиленового синего и метиленового фиолетового под действием УФ-излучения в основном связана с НС MoS2. Их малая толщина препятствует рекомбинации зарядов и облегчает их перенос на поверхность, а вертикальная ориентация обеспечивает открытые активные края для интенсификации взаимодействия с реагентами. Относительно большие гранулы AC, покрытые MoS2, могут быть легко удалены из раствора с минимальными потерями материала для последующего повторного использования. Таким образом, показаны преимущества карботермического подхода для получения катализаторов MoS2/AC с заданной морфологией и высокой фотокаталитической активностью. Метиленовый синий (МС) широко используется в качестве тестового материала в фотодинамической терапии и фотокатализе. Эти применения требуют точного определения концентрации MB, а также факторов, влияющих на временную эволюцию концентрации MB. Оптическое поглощение является наиболее распространенным методом, используемым для оценки концентрации MB. Нами представлено подробное исследование зависимости оптического поглощения водных растворов МС в диапазоне концентраций от 0,5 до 10 мг×л–1. Впервые описано нелинейное поведение оптического поглощения в зависимости от концентрации МС. Резкое изменение оптического поглощения наблюдается в диапазоне концентраций МС от 3,33 до 4,00 мг×л–1. На основании анализа спектров поглощения сделан вывод о том, что это связано с образованием димеров и тримеров МС в определенном диапазоне концентраций. Впервые выявлен сильный термоиндуцированный эффект обесцвечивания раствора МС под действием видимого и солнечного света: одновременное освещение и нагрев растворов МС от 20 до 80 оС приводит к двукратному снижению концентрации МС в растворе. Воздействие солнечного света в течение 120 мин при температуре 80°С привело к обесцвечиванию раствора МС более чем на 80%. Термическое обесцвечивание растворов МС следует учитывать в фотокаталитических экспериментах, когда испытуемые растворы не термически стабилизированы и не нагреваются за счет облучения. Мы рассматриваем вопрос, является ли МС подходящим тестовым материалом для фотокаталитических экспериментов на примере нового фотокаталитического материала - наночастиц оксинитрида бора (BNOx) с 4,2 и 6,5 ат. % кислорода. Показано, что обесцвечивание является сложным процессом и включает следующие механизмы: термоиндуцированную фотодеградацию МС, абсорбцию МС на наночастицах BNOx, самосенсибилизирующее фотоокисление МС и фотокаталитическую деградацию МС. Тщательное рассмотрение всех этих процессов позволяет определить фотокаталитический вклад в процесс обесцвечивания при использовании МС в качестве тестового материала. Фотокаталитическая активность наночастиц BNOx, содержащих 4,2 и 6,5 ат.% кислорода, оценивается в ~440 мкмоль×г-1×ч-1. Полученные результаты обсуждаются на основе результатов расчетов DFT с учетом влияния сорбции МС на его самосенсибилизирующую фотоокислительную активность. DFT-анализ сорбционной способности МС наночастицами BNOx показывает, что дефекты кислорода на поверхности препятствуют сорбции молекул МС из-за их планарной ориентации на поверхности BNOx. Для повышения сорбционной способности необходимо устранить поверхностные кислородные дефекты. Из-за высокой токсичности даже незначительное количество фенолов, попадающих в окружающую водную среду, представляет серьезную опасность для всего живого. Для решения этой важной проблемы коммерческий порошок h-BN микронного размера был измельчен в шаровой мельнице при 450, 600 и 750 об/мин, поверхностно функционализирован гидроксильными и аминогруппами с помощью обработки ультразвуком и охарактеризован как многообещающий фотокатализатор. Образцы исследовались методами рентгеновской дифракции, спектроскопии комбинационного рассеяния, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, ядерного магнитного резонанса 11В, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии диффузного отражения в ультрафиолетовой и видимой областях и фотолюминесцентной спектроскопии. При всех скоростях механической обработки без применения вспомогательных реагентов было достигнуто расслоение чешуек h-BN. Увеличение скорости шарового помола приводило к снижению кристалличности и измельчению структуры, что сопровождалось образованием большого количества дислокаций и нанокристаллитов размером 2–5 нм. При последующей обработке ультразвуком порошок BN подвергался частичному окислению и функционализации группами O-(H). Наблюдаемое увеличение фотокаталитической активности измельченных в шаровой мельнице частиц h-BN в реакции окисления фенола объясняется увеличением поглощения УФ-света с длиной волны 254 нм, уменьшением скорости электронно-дырочной рекомбинации и увеличением скорость образования радикалов ·OH. Наши результаты наглядно показывают перспективность измельченного в шаровой мельнице коммерческого порошка h-BN микронного размера в качестве фотокатализатора в реакции окисления фенола.

Публикации

1. В. Матвеев, Л.А. Варламова, А.С. Конопацкий, Д.В. Лейбо, И.Н. Волков, П.Б. Сорокин, X. Фан, Д.В. Штанский A new insight into the mechanisms underlying discoloration, sorption and photodegradation of methylene blue solutions with and without BNOx nanocatalyst Materials, 15, 8169 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/ma15228169

2. Волков И.Н., Матвеев А.Т., Ковальский А.М., Конопацкий А.С., Лейбо Д.В., Варламова Л.А., Сорокин П.Б., Штанский Д.В. ГЕТЕРОСТРУТКУРЫ A-MOSXOY/H-BNXOY: СИНТЕЗ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА EurasiaScience, 2022, 51-52 (год публикации - 2022)

3. Грициенко, А.Т. Матвеев, Г.Р. Восканян, Н.С. Курочкин, Д. Щербаков, С.П. Елисеев, Д.В. Штанский, А.Г. Витухновский Photocontrol of single-photon generation in boron nitride nanoparticles synthesized by ammonothermal crystallization ACS Applied Nano Materials, 5, 10462−10470 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsanm.2c01815

4. Д.В. Лейбо, А.С. Конопацкий, X. Фан, Д.В. Штанский Photocatalytic phenol oxidation over ball milled hexagonal boron nitride Journal of Water Process Engineering, 51, 103367 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2022.103367

5. Конопацкий А.С., Калинина В.В., Барилюк Д.В., Штанский Д.В. CVD СИНТЕЗ СЛОИСТОГО MOS2 НА ОСНОВЕ ОКСИДА МОЛИБДЕНА (VI) С ПРИМЕНЕНИЕМ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ В КАЧЕСТВЕ ПОДЛОЖКИ EurasiaScience, 2022, 56-57 (год публикации - 2022)

6. Конопацкий, В.В. Калинина, Д.В. Барилюк, Д.В. Лейбо, А.Т. Матвеев, X. Фан, Д.В. Штанский Carbothermal-reduction-assisted CVD synthesis of layered MoS2 nanosheets on activated carbon support: implication for photocatalysis J. Alloys Compd., 934,167867 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167867

7. Ф. Као, Л. Су, Т. Ян, З. Ли, Д.В. Штанский, Х. Фан Pine-branch-like SnO2/ZnO heterostructure with suppressed dark current and enhanced on/off ratio for visible-blind UV imaging Advanced Electronic Materials, 8, 2101373 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/aelm.202101373

8. Х. Лию, С. Ли, З. Ли, Ф. Као, Д.В. Штанский, Х. Фан Enhanced response speed in 2D perovskite oxides-based photodetectors for UV imaging through surface/interface carrier-transport modulation ACS Appl. Mater. Interfaces, 14, 48936−48947 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acsami.2c15946

9. Д.В. Штанский, А.Т. Матвеев, Е.С. Пермякова, Д.В. Лейбо, А.С. Конопацкий, П.Б. Сорокин Recent progress in fabrication and application of BN nanostructures and BN-based nanohybrids Nanomaterials, 12, 2810 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12162810

10. Калинина В.В., Конопацкий А.С., Барилюк Д.В., Штанский Д.В. Исследование влияния температуры синтеза на формирование структуры MoS2 на поверхности активированного угля Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2022, 2022, 530-531 (год публикации - 2022)

11. Штанский Д.В. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕКСАГОНАЛЬНОГО BN И ГИБРИДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ XII Международная конференция "Фазовые превращения и прочность кристаллов", 2022, 118 (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Синтезированы образцы дефектного BN и углерод-замещённого BN методом высокоэнергетического шарового размола. Синтезированы образцы гибридного наноматериала MoS2/BN на основе молибдена и BN методом химического осаждения из паровой фазы при температурах 700, 900 и 1100 С. Осуществлен синтез BN, допированного углеродом и кислородом (BNxOyCz), а также гетероструктур BNxOyCz/MoSxOy. Разработана двухэтапная методика синтеза наногибридных материалов AC-MoS2-Ag. На первом этапе на поверхности активированного угля методом CVD синтеза были сформированы наночастицы MoS2, а на втором этапе в ходе полиольного процесса был проведен синтез наночастиц Ag. Выполнен комплекс структурных исследований полученных материалов методами СЭМ, ТЕМ, ТЕМ высокого разрешения, ИК спектроскопии, РФЭС, спектроскопии КРС. Удельную поверхность образцов определяли методом низкотемпературной адсорбции по БЭТ. Оптические свойства материалов изучали методом спектрофотометрии диффузного отражения в видимой и УФ областях, а также методом фотолюминесцентной спектроскопии. Ширину запрещённой зоны полупроводников определяли графическим методом Таука. Для исследования способности BNOC0.1 и BNOC1 катализаторов генерировать АФК был использован амперометрический метод. Полученные результаты показывают, что при использовании образцов AC-MoS2 достигается достаточно высокая степень разложения органического красителя: от 78 до 95 %. В случае красителя конго красный (CR), наблюдается снижение концентрации красителя на 78%, а для бриллиантового зеленого (BG) снижение составляет 83%. Катализаторы BNOCx (x=0.1, 0.5, 1) за 75 мин практически полностью очищают раствор от метиленового синего (МС). Образцы BNOC0.1 и BNOC0.5 демонстрируют примерно одинаковые свойства: поглощают 0,33-0,34 мг МС, а их фотокаталитическая активность находится на уровне около 210 мкмоль×г-1ч-1. Образец BNOC1 поглощает 0,63 мг МС, что почти в два раза больше, однако демонстрирует более слабую фотокаталитическую активность. Материал BNOC1 можно рассматривать как перспективный адсорбент. После четырех циклов эффективность деградации катализатора BNOC0.1 снизилась с 96 % до 94 %, что свидетельствует о высокой стабильности катализатора. Образцы BNOC0.5 и BNOC0.1 продемонстрировали высокую фотоактивностью; раствор конго красного (CR) полностью очищался за 75 мин. Эффективность катализатора BNOC0.1 снижается от опыта к опыту с 89 до 86 %, демонстрируя высокую стабильность материала. Общая активность при удалении тетрациклина из водного раствора значительна и достигает ~800 мкмоль×г-1ч-1 для катализатора BNOC1 в течение получаса. Проведено детальное изучение влияние углерода на электронную структуру окисленного BN. Рассчитаны парциальные и полные плотности электронных состояний для различных концентраций C и O в h-BN, получены атомные модели соответствующих структур. Показано, что дефекты внедрения гетероатомов существенно изменяют электронную структуру h-BN. Наблюдается тенденция к уменьшению энергетической щели с увеличением концентрации внедренного кислорода: с 4,1 эВ (6 ат.% О) до 3,9 эВ (9 ат.% О). Внедрение углерода в окисленный нитрид бора (замещение атомов бора) также приводит к появлению примесного уровня и спиновому расщеплению вблизи уровня Ферми, причем этот уровень оказывается очень близким к примесному уровню бора. Как и в случае допирования кислородом, введение углерода приводит к уменьшению ширины энергетической щели. Результаты квантовохимического моделирования показали, что кластеризация одновременно атомов углерода и кислорода с сохранением гексагональной структуры допированого h-BN невозможна, поскольку более выгодным в этом случае является формирование пассивированной вакансии и образование газообразного оксида углерода.

Публикации

1. Лью, Су, Чанг, Штанский, Фан Photoelectric-ferroelectric hybrid system for photodetection Small methods, 2023, 2300319 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/smtd.202300319

2. А.А. Рыжова, А.С. Конопацкий, Д.В. Штанский CVD-синтез гетерогенных наноструктурных фотокатализаторов на основе дисульфида молибдена и активированного угля Тезисы докладов XX Международной научной конференции молодых ученых, Минск, Сборник тезисов докладов, Минск, Белорусская наука, 2023, стр. 774-775 (год публикации - 2023)

3. Калинина В.В., Конопацкий А.С., Барилюк Д.В., Штанский Д.В. Карботермическое восстановление оксида молибдена (VI) на поверхности активированного угля Сборник докладов ФТИ-2023, Издательство АМБ, Сборник докладов ФТИ-2023, Издательство АМБ, стр. 643-644 (год публикации - 2023)

4. - Ученые впервые определили точную концентрацию красителя - необходимого для очистки вод Пресс служба МИСИС, - (год публикации - )

5. - Ученые предложили улучшенный фотокатализатор для очистки вод от фенола Пресс служба МИСИС, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
При реализации проекта разработаны новые подходы, методы и протоколы получения перспективных наноматериалов для фотокатализаторов. Их эффективность продемонстрирована на примере фотодеградации красителей метиленового синего, метиленового фиолетового, конго красного, и бриллиантового зеленого, в реакции окисления фенола, а также удаления тетрациклина. Эти материалы могут найти применение в различных фотокаталитических реакциях разложения и для удаления вредных примесей.