Формирование наноструктурированных оксидных материалов в условиях ограниченного массопереноса и их применение для фотоэлектрохимического получения водорода

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 21-73-10070

НазваниеФормирование наноструктурированных оксидных материалов в условиях ограниченного массопереноса и их применение для фотоэлектрохимического получения водорода

Руководитель Попков Вадим Игоревич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 2021 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; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова оксиды, наноструктуры, нанокомпозиты, ограниченный массоперенос, растворное горения, ионное наслаивание, электроосаждение, фотокатализ, электрокатализ, выделение водорода, фотоэлектрохимическая ячейка

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Переход к новым и возобновляемым источникам энергии и, в частности, к возобновляемой водородной энергетике тесно связан с необходимостью разработки соответствующих процессов получения так называемого «зеленого» водорода из источников с нулевым углеродным следом. В качестве одного из наиболее перспективных процессов в этом направлении все чаще рассматривается фотоэлектрохимический процесс утилизации энергии солнечного излучения в форме энергии химической связи молекулы водорода. Однако развитие и активное внедрение соответствующих технологий и решений в настоящее время сдерживается преимущественно материаловедческой проблемой поиска методов синтеза высокоэффективных, продуктивных, стабильных, доступных и экологичных фото- и электрокатализаторов, решение которой с использованием ранее разработанных каталитических материалов, а также традиционных подходов к их синтезу не представляется возможным. В рамках данного проекта предлагается проведение исследований по разработке теоретических основ формирования оксидных фото- и электрокатализаторов на основе процессов, протекающих в условиях ограниченного массопереноса. Предполагается, что в этом случае возможно образование оксидных наноструктур с необычными составом, структурой, морфологией и функциональными свойствами, что было ранее показано авторами проекта для некоторых систем на основе простых и сложных оксидов. При этом реализацию ограничения массопереноса предполагается рассматривать в рамках одного или нескольких частных случаев – ограничение по температуре синтеза, его продолжительности, пространственные ограничения в зоне реакции или ограничение по количеству доступного для массопереноса вещества. В качестве методов синтеза, позволяющих реализовать условия таких ограничений будут использованы метод растворного горения, метод ионного наслаивания, метод электроосаждения металлов с последующей термообработкой, метода анодирования металлов и метод синтеза нанокристаллов в межслоевом пространстве углеродных 2D наноструктур. На основании результатов исследований будут предложены физико-химические модели, описывающие условия формирования и влияние ограничений массопереноса на состав, строение, размер и форму оксидных кристаллов на основе d-элементов 4-го и 5-го периодов таблицы Д.И. Менделеева. Выбор этих оксидных систем в качестве объектов исследования обусловлен широкими перспективами их дальнейшего применения в качестве основы материалов катода и фотоанода фотоэлектрохимических ячеек для получения водорода из возобновляемых водно-органических растворов. Таким образом в результате выполнения проекта планируется не только предложить оригинальные методы синтеза оксидных нанокристаллических частиц и получить новые наноматериалы, но и разработать подходы к физико-химическому конструированию высокоэффективных, стабильных и доступных каталитических материалов для решения задач перехода к возобновляемым методам получения водорода. Благодаря использованию широкого комплекса теоретических и экспериментальных методов анализа веществ на каждом из этапов их получения с участием современного аналитического оборудования планируется провести исчерпывающую характеризацию как самих материалов, так и определить особенности процессов их формирования в условиях ограниченного массопереноса. Это в совокупности с большим опытом авторов проекта в области синтеза и исследования наноструктурированных материалов обеспечит уверенное определение системных связей условий синтеза оксидных наноструктур с особенностями их состава, строения, фото- и электрокаталитических свойств. Эти разработки, полученные в результате комплекса проведенных исследований, станут основой перехода к новым технологиям получения оксидных функциональных материалов для получения водорода из возобновляемых источников.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дмитриев Д.С. Синтез медных микротрубочек электрохимическим темплатным методом Тезисы докладов XXXII Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А. А. Тагер, С. 229 (год публикации - 2022)

2. Дмитриев Д.С., Теневич М.И., Попков В.И. Electrochemical template synthesis of Ni–Cu bilayer hollow microtubes for green hydrogen production through electrocatalytic reforming of ethanol International Journal of Hydrogen Energy (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijhydene.2022.03.277

3. Лобинский А.А., Попков В.И. Ultrathin 2D nanosheets of transition metal (hydro)oxides as prospective materials for energy storage devices: A short review Electrochemical Materials and Technologies, 1, 1, 20221008 (год публикации - 2022)
10.15826/elmattech.2022.1.008

4. Лобинский А.А., Попков В.И. Direct SILD synthesis of efficient electroactive materials based on ultrathin nanosheets of amorphous CoCr-LDH Materials Letters, 322, 132472 (год публикации - 2022)
10.1016/j.matlet.2022.132472

5. Мартинсон К.Д., Чебаненко М.И., Попков В.И. Формирование нанокристаллических ферритов в условиях растворного горения: особенности строения и функицональные свойства XII конференция "Химия твердого тела и функциональные материалы - 2022" и XIV Симпозиум "Термодинамика и материаловедение", г. Екатеринбург. 10-13 октября 2022 г., с.234 (год публикации - 2022)

6. Дмитриев Д.С., Теневич М.И. Синтез композита никель-серебро для электрокаталитичеcкого получения водорода «Электрохимия в распределенной и атомной энергетике», г. Нальчик, 18-22 сентября 2022 г., с.162-165 (год публикации - 2022)

7. Чебаненко М.И. Омаров Ш.О. Попков В.И. Электрохимические свойства графитоподобного нитрида углерода, эксфолиированного водяным паром. «Электрохимия в распределенной и атомной энергетике», г. Нальчик, 18-22 сентября 2022 г., с.183-186 (год публикации - 2022)

8. Теневич М.И., Попков В.И. Особенности спекания и функциональные свойства церата бария. «Электрохимия в распределенной и атомной энергетике», г. Нальчик, 18-22 сентября 2022 г., с.124-126 (год публикации - 2022)

9. Лобинский А.А. Попков В.И. Послойный синтез наноструктурированных пленок слоистых двойных гидроксидов, как перспективных материалов для электрокаталитического получения водорода. «Электрохимия в распределенной и атомной энергетике», г. Нальчик, 18-22 сентября 2022 г., с.173-175 (год публикации - 2022)

10. Дмитриев Д.С., Теневич М.И., Попков В.И. Electrocatalytic nickel-based coatings from an ammonia-sulfosalicylic bath for water splitting reactions International Journal of Hydrogen Energy (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.01.351

11. Чебаненко М.И., Омаров Ш.О., Лобинский А.А., Неведомский В.Н., Попков В.И. Steam exfoliation of graphitic carbon nitride as efficient route toward metal-free electrode materials for hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.03.468

12. Лобинский А.А., Дмитриев Д.С., Попков В.И. Novel route of NiCr-LDH nanosheets synthesis on nickel foam as a bifunctional electrocatalyst for water splitting process International journal of hydrogen energy, V.48, N. 59, P. 22495-22501 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.04.174

13. Чебаненко М.И. Разработка фотокатализаторов на основе g-C3N4 и оксидов переходных металлов (Co, Mn) для очистки фармацевтических сточных вод под действием видимого света Сборник тезисов XIV научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых имени профессора, Лауреата Государственной премии СССР А.С. Дудырева «НЕДЕЛЯ НАУКИ-2024. Творчество молодежи – будущему России» (с международным участием), С. 396 (год публикации - 2024)

14. Дмитриев Д.С., Теневич М.И., Попков В.И. Синтез и фотоэлектрокаталитические свойства композита CoO@CuO на углеродном темплате Сборник тезисов докладов XXI Молодежной научной конференции «Функциональные материалы: Синтез, Свойства, Применение», посвященная 75-летнему юбилею Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова (с международным участием), С. 230-231 (год публикации - 2023)

15. Лобинский А.А., Теневич М.И. Фотокаталитическая активность композита Ag-Ag2CrO4, полученного методом послойной химической сборки XIV Конференция молодых ученых по общей и неорганической химии: Тезисы докладов конференции, С. 118 (год публикации - 2024)

16. Мартинсон К.Д., Мурашкин А.А., Лобинский А.А., Мальцев Д.Д., Цзи K., Ю Дж., Альмяшева О.В., Попков В.И. Structural, magnetic and electrochemical studies on ZnxMg1−xFe2O4 nanoparticles prepared via solution combustion method Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, V. 15 (2), P. 233–239 (год публикации - 2024)
10.17586/2220-8054-2024-15-2-233-239

17. Тиханова С.М., Попков В.И. Влияние добавок широкозонных оксидных полупроводников на стабилизацию h-YbFeO3 и фотокаталитическую активность нанокомпозитов o-YbFeO3/h-YbFeO3/MO2 (M = Ce, Ti) Сборник трудов XVIII Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, специалистов и студентов вузов «НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ», 2024. № 3. (год публикации - 2024)
10.37614/2307-5252.2022.3.6.029

18. Чебаненко М.И., Омаров Ш.О., Дмитриев Д.С., Мартинсон К.Д., Томкович М.В., Попков В.И. Индуцированная видимым светом фотокаталитическая деградация тетрациклина на эксфолиированном графитоподобном C3N4 с добавлением кубического Co3O4 Кинетика и катализ (год публикации - 2024)

19. Мартинсон К.Д., Сахно Д.Д., Мигунова П.В., Лобинский А.А. Электрохимические, магнитные и структурные особенности нанопорошков Ni0.2Zn0.8Fe2O4, синтезированных в условиях термической обработки рентгеноаморфных продуктов горения Физика твердого тела, 2024. Т. 66. № 4. (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.04.57790.36

20. Мурашкин А.А., Мартинсон К.Д Фотокаталитические и магнитные свойства наночастиц ZnFe2O4 полученных с использованием лимонной кислоты Сборник трудов XVIII Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, специалистов и студентов вузов «НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ», 2024, №3 (год публикации - 2024)

21. Дмитриев Д.С., Теневич М.И., Лобинский А.А., Попков В.И. Coaxial structures based on NiO/Ni@Carbon felt: Synthesis features, electrochemical behavior and application perspectives Journal of Electroanalytical Chemistry, V. 911, P. 116216. (год публикации - 2022)
10.1016/j.jelechem.2022.116216

22. Лобинский А.А. Формирование тонкослойных наноструктур NiFe-СДГ в условиях послойного синтеза и их применение в качестве электрокатализаторов для получения водорода Сборник трудов XXIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», С. 117 (год публикации - 2022)

23. Чебаненко М.И., Омаров Ш.О., Попков В.И. Ultrasonic and steam exfoliation of g-C3N4 nanopowders Материалы XXXI Зимней Школы по Химии Твёрдого Тела, С.88. (год публикации - 2022)

Публикации