Разработка инновационных устройств для селективной очистки воды и воздуха на основе двумерных материалов

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 22-12-20036

НазваниеРазработка инновационных устройств для селективной очистки воды и воздуха на основе двумерных материалов - МХенов

Руководитель Магомедов Курбан Эдуардович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" , Калининградская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Функциональные наноматериалы, Двумерные материалы, МХены, Адсорбенты, Адсорбция, Очистка воды, Детекторы CO2, Уловители CO2, Карбоновые полигоны, Экология

Код ГРНТИ87.19.91

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный Проект, тематика которого находится на пересечении материаловедения, химии и экологии, направлен на разработку и создание инновационных устройств для селективной очистки воды и воздуха, имеющих в качестве рабочего агента частицы новых двумерных наноматериалов – МХенов. Устройства для очистки воды будут осуществлять забор ряда загрязнителей, опасных для человеческого организма и природных систем, таких как ионы тяжёлых металлов (железа, ртути, свинца и др.). Устройства для очистки воздуха будут осуществлять количественный контроль и адсорбцию углекислого газа в атмосфере, являющегося одной из причин долгосрочных климатических изменений вследствие техногенной деятельности человека. Для достижения поставленной цели в качестве рабочего детектирующего и очистного агента в рамках настоящего Проекта выбраны перспективные двумерные наноматериалы - МХены, которые за счёт адсорбционных свойств поверхности позволяют более эффективно улавливать загрязнения, а за счёт возможности ее контролируемой функционализации способны селективно адсорбировать различные поллютанты. Дополнительными преимуществами МХенов является их “зелёный” и недорогой синтез, а также простая возможность контроля адсорбции молекул оптическими и электротранспортными методами. В рамках настоящего Проекта планируется провести полный цикл экспериментальных работ, начиная с оптимизации технологии синтеза и пост-обработки МХенов, их характеризации, и заканчивая системными исследованиями их применимости в роли очистных и детектирующих агентов. На основе анализа современного состояния исследований по данной тематике, и исходя из опыта коллектива исполнителей, для выполнения проекта были разработаны подходы и поставлены задачи, выполнение которых позволит разработать методику функционализации поверхности двумерных материалов, которая обеспечит наибольшую эффективность для селективной очистки воды и воздуха. Впервые будет построена математическая модель, обладающая предсказательным потенциалом для поиска МХенов с заданными поверхностными свойствами, которые сделают их специфичными к конкретным типам загрязнителей, будет комплексно проанализирована эффективность таких МХенов для экологических применений. Результаты исследований позволят всесторонне оценить применимость МХенов для решения наиболее насущных экологических задач, а также предоставят практическое решение в виде прототипов инновационных очистных устройств для имплементации технологий очистки воды и воздуха на основе МХенов, которое может быть использовано на очистных сооружениях различного масштаба, а также в активно развивающейся сфере карбоновых полигонов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Соболев К.В., Омельянчик А.С., Ниаз Ш., Аббас З., Мурзин Д.В., Родионова В.В. Адсорбционные свойства МХенов Ti3C2Tx с оптимальной функционализацией поверхности группами (-O,-F) Российские Нанотехнологии (год публикации - 2022)

2. Омельянчик А.С., Соболев К.В., Шилов Н.Р., Андреев Н.В., Горшенков М.В., Родионова В.В. Модификация метода соосаждения для синтеза наночастиц оксидов железа с высоким значением намагниченности и контролируемым выходом реакции Российские Нанотехнологии (год публикации - 2022)

3. К. В. Соболев, К. Э. Магомедов, Н. Р. Шилов, В. В. Родионова, А. С. Омельянчик Адсорбция ионов меди на поверхности многослойных мхенов ti3c2tx со смешанной функционализацией Российские Нанотехнологии (год публикации - 2023)

4. К. Соболев, А. Омельянчик, Н. Шилов, М. Горшенков, Н. Андреев, А. Комите, С. Слимани, Д. Педдис, Е. Овченков, А. Васильев, К. Магомедов, В. Родионова Iron oxide nanoparticles-assisted delamination of Ti 3 C 2 T x MXenes: a new approach to produce magnetic MXene-based composites (год публикации - 2024)

5. Н.Р. Шилов, В.А. Ни, А.С. Омельянчик, В.В. Родионова, К.Э. Магомедов Синтез гетероструктурного композита MXene@Fe3O4 для удаления ионов свинца (II). Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2025)

6. Шанавер Ниаз, Саид Зухаир Аббас Шах, Николай Шилов, Курбан Магомедов, Валерия Родионова Моделирование адсорбционных свойств Ti 3 C 2 T x MXенов с различной функционализацией поверхности к диоксиду углерода с помощью теории функционала плотности Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2025)

7. Николай Шилов, Курбан Магомедов, Руслан Зейналов, Александр Омельянчик, Валерия Родионова Study of The Kinetics of Cu(II) And Pb(II) Sorption on Magnetically Functionalized MXene Composites РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ, том 20, выпуск №2 (год публикации - 2025)

8. Н.Р. Шилов, В.А. Ни, К.Э. Магомедов, Р.З. Зейналов, С.А. Омельянчик, В.В. Родионова СОРБЦИЯ ИОНОВ ЖЕЛЕЗА (III) ПРИ ПОМОЩИ ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО МАГНИТНОГО КОМПОЗИТА TI3C2TX/FE3O4 РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ (год публикации - 2025)

9. Шанавер Ниаз, Саид Зухаир Аббас Шах, Николай Шилов, Курбан Магомедов, Валерия Родионова DFT-based modeling of the adsorption properties of Ti3C2Tx MXenes with various surface functionalization towards oxygen and water vapor Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе работы были проведены исследования и разработки, направленные на создание новых материалов и устройств на основе МХенов Ti3C2Tx с функционализированной поверхностью и магнитными наночастицами. На основе этих материалов были разработаны композитные материалы для различных применений, таких как детектирование углекислого газа (CO2), очистка воды от ионов тяжелых металлов и создание датчиков для измерения концентрации CO2 в воздухе. Одним из основных этапов работы стало исследование возможности функционализации МХенов Ti3C2Tx с использованием молекул лизина и лимонной кислоты, а также магнитными наночастицами (Fe3O4 и CoFe2O4). МХены с фторной функционализацией были синтезированы методом селективного травления MAX-фазы Ti3AlC2 в растворе HF. Этот процесс был подтверждён с помощью рентгенофазового анализа (РФА) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ-ЭДС), которые продемонстрировали успешный синтез и функционализацию материалов. Для создания магнитных композитов использовалась технология соосаждения, при которой наночастицы Fe3O4 и CoFe2O4 росли в межслоевом пространстве МХенов. Результаты показали, что функционализация материалов приводила к изменению их структуры, увеличению доли однослойных частиц и улучшению магнитных свойств композитов, что подтверждается изменениями в рентгеновских спектрах. Также был проведён анализ оптических и транспортных свойств МХенов Ti₃C₂Tx с модификацией поверхности молекулами лизина и лимонной кислоты. Исследования показали, что функционализированные МХены демонстрируют улучшенное взаимодействие с CO2 по сравнению с немодифицированными образцами. Молекулы лизина и лимонной кислоты увеличивают способность МХенов к адсорбции CO2 за счёт наличия карбоксильных и аминогрупп, что подтверждается изменениями сопротивления и оптическими исследованиями. Используя датчики на основе серебряных электродов, было показано, что отклик функционализированных МХенов на CO2 выше, чем у немодифицированных. Изменения сопротивления при увеличении влажности и температуры также были более выражены для модифицированных образцов. Оптические исследования продемонстрировали минимальные изменения спектра пропускания при переходе с атмосферы азота на CO2.. В дополнение к исследованиям материалов были разработаны устройства для очистки воды от ионов тяжёлых металлов. Система включала датчик потока, который отслеживал скорость воды, и инжекцию раствора МХенов с магнитными наночастицами. Эти частицы эффективно адсорбировали ионы тяжёлых металлов, а магнитная составляющая системы позволяла удалять загрязняющие вещества через магнитную декантацию. Система спроектирована так, чтобы инжектирование раствора регулирулось в зависимости от скорости потока воды, что повышало ее эффективность. Микроконтроллер управляет полевым транзистором для оптимальной подачи раствора. После взаимодействия с загрязнённой водой МХены оседают под воздействием магнита, а очищенная вода продолжает движение через систему. Лазерный датчик контролирует уровень загрязнения, что позволяет оценить эффективность очистки. Было также разработано устройство для детектирования и количественного определения концентрации CO2 в воздухе, основанное на изменении проводимости слоя МХенов с модификацией молекулами лимонной кислоты. Для измерения проводимости использовался датчик с серебряными электродами на кремниевой подложке. Изменение проводимости материала происходило в зависимости от концентрации CO2, что позволяло точно определять её уровень в воздухе. Для калибровки устройства использовались газовые смеси с известными концентрациями CO2 (0%, 25%, 50%, 100%). На основе измерений сопротивления строилась калибровочная кривая, которая позволяла преобразовывать данные о сопротивлении в концентрацию CO2. Это устройство не только эффективно измеряет концентрацию CO2, но и может быть использовано для улавливания углекислого газа из воздуха, что расширяет область его применения. Для управления и калибровки датчика CO2 было написано программное обеспечение на базе Arduino, которое использует метод линейной регрессии для расчёта концентрации CO2 на основе измеренного сопротивления датчика. Используя данные о сопротивлении и соответствующей концентрации CO2, метод наименьших квадратов позволяет вычислить коэффициенты регрессии, которые затем используются для расчёта концентрации CO2 в реальном времени. Программа позволяет наблюдать изменения концентрации CO2.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Формирование научных и технологических заделов: Результаты проекта обеспечат развитие ключевых направлений современной науки, включая материалы для экологических технологий, нанотехнологии и управление процессами фильтрации. Создание эффективных систем на основе МХенов способствует формированию научной базы для разработки новых поколений устройств очистки. Это укрепляет позиции России в области инновационных экологических решений. Создание и совершенствование продукции: Очистка воды: Устройства на основе МХенов могут быть использованы для удаления тяжелых металлов, органических загрязнителей, пестицидов и микропластика из воды. Это открывает возможности для внедрения в системы водоочистки промышленных предприятий, коммунальных хозяйств и мобильных станций очистки. Очистка воздуха: Решения на основе МХенов применимы для удаления токсичных газов, пылевых частиц и других загрязнителей, что особенно актуально для промышленных зон, общественных пространств и систем вентиляции. Создание новых технологий: Разработанные методы синтеза и модификации МХенов позволяют внедрить новые технологии фильтрации, сочетающие высокую селективность, низкое энергопотребление и долговечность материалов. Интеграция этих технологий в системы очистки может быть дополнена цифровым мониторингом и автоматизацией процессов. Экономический рост: Внедрение разработок в промышленное производство способствует созданию новых рабочих мест, развитию локальных производственных цепочек и повышению экспортного потенциала. Современные устройства очистки востребованы как на внутреннем, так и на международном рынке, что делает проект конкурентоспособным. Социальное развитие: Улучшение качества питьевой воды и воздуха напрямую влияет на здоровье населения, снижая риск заболеваний, вызванных загрязнением окружающей среды. Обеспечение экологически чистой среды благоприятно сказывается на качестве жизни, стимулирует устойчивое развитие регионов, включая удаленные и неблагополучные зоны. Устойчивое развитие и экология: Реализация проекта способствует выполнению национальных целей в области экологии и устойчивого развития, включая снижение уровня загрязнений и переход к "зеленой" экономике.