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 20-79-10097

НазваниеФизико-химические основы прямого управляемого синтеза наночастиц, нанокластеров и летучих гидридов методом индукционной потоковой левитации

РуководительВоротынцев Андрей Владимирович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского", Нижегородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2023 - 06.2025

Конкурс Конкурс 2023 года на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (50).

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

Ключевые словаНаночастицы, нанокластеры, кремний, моносилан, гетерогенный катализ, атомно-силовая микроскопия, индукционная потоковая левитация, ионные жидкости

Код ГРНТИ61.31.55, 31.15.00

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
На сегодняшний день одной из самых актуальных научных проблем является получение наноразмерных частиц и покрытий, а также улучшение методов и технологий их создания. Знание механизма функционирования наночастиц и покрытий на их основе позволяет решать самые разнообразные проблемы: совершенствовать уже существующие технологии, повышать эффективность использования солнечной энергии при улучшении фотосенсибилизации солнечных панелей в качестве спектрально-селективного покрытия зеркал и стёкол, улучшать селективность и активность катализаторов и многие другие. Кроме того, применение таких объектов в новых сферах, например, в медицине, позволяет использовать наночастицы для адресной доставки лекарственных препаратов, таргетной терапии и дезактивации ВИЧ-1 с отсутствием цитотоксичности. Таким образом, на этапе бурного развития фундаментальных и прикладных основ получения наноматериалов, важнейшей задачей является создание теоретической и экспериментальной базы новых «зеленых» методов, позволяющих достигать высокой производительности получения наночастиц (около 15 г/ч), а также проводить прямые синтезы различных веществ (гидриды, нитриды, оксиды и пр.) в одну стадию, т.н. «direct synthesis». В последнее десятилетие большой интерес исследователей вызывают нанокластеры, которые представляют собой почти монодисперсные металлические частицы, имеющие диаметр менее 5 нм. Нанокластеры обладают уникальными свойствами, которые связаны с их промежуточным положением между объемной фазой и индивидуальными атомными или молекулярными частицами, поэтому имеют большие перспективы в качестве новых типов высокоактивных и селективных катализаторов. В настоящее время, в связи с развитием нанотехнологий, а также микро- и наноэлектроники в частности, с каждым годом возрастает потребность в высокочистых наночастицах и нанокластерах различного состава и размера, а следовательно, существует очевидная потребность снижения себестоимости и уменьшения затрат на их производство. Кроме того, развитие различных областей науки и техники приводит к увеличению спроса и мощностей производства, что ухудшает экологическую ситуацию при использовании традиционных реагентов для получения наночастиц: этиленгликоля, этанола и других органических растворителей. С этой точки зрения, крайне важно внедрять и развивать относительно новые методы получения, которые могли бы элиминировать существующие проблемы. Для решения поставленных задач в проекте предлагается всестороннее изучение метода индукционной потоковой левитации для получения наночастиц и нанокластеров, где базисным видом сырья, являются проводящие или магнитные материалы. В рамках проекта планируется разработка методов и подходов для синтеза карбидов и нитридов металлов, методом индукционной потоковой левитации, которые привлекают большое внимание благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам, обусловленным включением междоузельного углерода и азота в кристаллическую решетку исходных металлов. Недавние успехи в использовании таких соединений выявили их каталитические свойства во многих важных для промышленности реакциях, включая удаление гетероатомных загрязнителей, конверсия CO2, риформинга спирта и конверсия монооксида углерода водяным паром. Также карбид кремния и нитрид галия являются перспективными и востребованными материалами современной микроэлектроники. Устройства на GaN и SiC работают лучше и эффективнее, чем кремниевые компоненты, которые они заменяют. В настоящее время по-прежнему остается проблемой синтез наноразмерных карбидов металлов с заданными размерами и морфологией из-за неоднородного науглероживания и неизбежной агрегации при высоких температурах реакции. В связи с этим, необходимо всестороннее изучение синтеза этих материалов с высокой степенью воспроизводимость, что будет достигнуто в данном проекте

Ожидаемые результаты
В рамках Проекта, с начала 2020 года были разработаны физико-химические основы прямого управляемого синтеза наночастиц, нанокластеров и летучих гидридов методом индукционной потоковой левитации. Используемый, в работе, левитационно-струйный метод Гена-Миллера получил современное технологическое оснащение, что позволило вывести его на новый уровень для решения новых задач, в частности, синтез полупроводниковых наночастиц кремния и германия, прямой синтез моносилана и моногермана, получение и изучение кинетики роста "core-shell" структур различных наночастиц и изучение кинетики in-situ роста наночастиц золота во время процесса. Применение промышленной автоматизации позволило проводить экспериментальные исследования на высоком технологическом уровне, достоверности и сходимости. Полученные данные были опубликованы, в том числе получен патент на изобретение. Проведенные научные исследования дают возможность провести завершающий этап работы, который планируется реализовать в рамках продления на 2 следующих года. Во-первых, это синтез стратегически важных нанопорошков карбидов и нитридов титана, железа, галлий кремния и бора, которые необходимы металлургической военной и химической отрасли. Во-вторых, это синтез карбонилов железа и вольфрама, а также алкилпроизводных галлий и алюминия новым методом, необjходимых микроэлектронной промышленности. В связи с этим, высокая актуальность проекта сохраняется, и следующие два года позволят завершить все масштабные исследования в рамках 5 лет, с последующей возможностью промышленного внедрения полученных результатов. В работе предполагается решить две важные фундаментальные задачи. Во-первых, разработка физико-химических основ прямого получения высокочистыхнанопорошков карбидов и нитридов металлов и полупроводников методом индукционной потоковой левитации (ИПЛ) с возможностью точного контроля размеров (распределения частиц по размерам) и состава. Во-вторых, проведение прямых синтезов карбонилов и алкоксипроизводных металлов по технологии соответствующей основным концепциям «зеленой» химии. Решение данных проблем позволит получать наночастицы и проводить прямые синтезы напрямую из объёмных образцов без использования большого количества органических растворителей и «агрессивных» веществ. Возможность получения запланированных результатов обусловлена тем, что основные участники имеют большой опыт выполнения научно-исследовательских и oпытнo-кoнстpукциoнных работ и ранее уже участвовали (как в качестве руководителей, так и исполнителей) в программах, организуемых Российским научным фондом (РНФ), Министерством образования и науки PФ, Фондом содействия развития малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФАСИЕ), Российским фондом фундаментальных исследований (PФФИ), кроме того на базе разработок научного коллектива было создано опытно-производственное предприятие ООО "Фирма ХОРСТ" занимающейся выпуском и реализацией высокочистых веществ. Опыт научного коллектива в области наноматериалов, гетерогенного катализа, мембранного газоразделения, плазмохимии и автоматизации технологических процессов позволил получить широкий бэкграунд и несомненно будет положительно влиять на качество результатов выполняемого проекта. Кроме того, использование комплекса современных физико-химических методов исследования кристаллических и аморфных материалов, включающего различные виды термодесорбционного и рентгенофазового анализа, растровой и просвечивающей электронной микроскопии, а также хроматографии и масс-спектрометрии, позволит выпускать качественные научные материалы (статьи в высокорейтинговых журналах). В связи с этим, можно утверждать, что, полученные результаты будут иметь высокую востребованность и соответствовать мировому уровню исследований. Решение же поставленных в проекте задач будет способствовать развитию как фундаментальных, так и прикладных исследований в области создания наноматериалов и потенциальных возможностей внедрения разрабатываемых методов и подходов в производство.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---