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 24-14-00033

НазваниеРазработка и исследование катализаторов окисления воды для модифицированных природных, биогибридных и исскуственных систем генерации протонов с целью производства молекулярного водорода

Руководитель Аллахвердиев Сулейман Ифхан-оглы, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова катализаторы фотосинтетического, (фото)электрохимического окисления воды, молекулярный водород, природный и искусственный фотосинтез, металлсодержащие органические комплексы, солнечная энергия

Код ГРНТИ34.31.17


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Истощение ископаемых видов топлива, возрастающие потребности в энергии и климатические изменения требуют перехода на альтернативные источники энергии (АИЭ). Запасание энергии Солнца в виде молекулярного водорода (МВ) перспективный способ перехода на АИЭ. Вода неисчерпаемый, возобновляемый источник электронов и протонов для генерации МВ. Mn4CaO5-кластер кислородвыделяющего комплекса (КВК) фотосистемы 2 (ФС2) оксигенных фототрофов - уникальный природный катализатор расщепляющий (окисляющий) воду на электроны, протоны и кислород. Знание механизма расщепления воды крайне актуально как с фундаментальной точки зрения, так и для искусственного производства МВ, биомассы за счет энергии света. Кроме того, без кислорода не возможно существование жизни. Целью проекта являются фундаментальные исследования, направленные на получение новой информации о структурно-функциональных особенностях и молекулярном механизме каталитических реакций окисления воды (ОВ), осуществляемых: (1) Mn4CaO5-катализатором КВК ФС2; (2) направленно модифицированным КВК ФС2; (3) а также новыми, разрабатываемыми металлорганическими катализаторами (фото)электрохимического ОВ, чрезвычайно востребованными как для применения в качестве прототипов эффективных, экологически безопасных, дешевых, доступных, искусственных катализаторов реакции извлечения протонов из воды для последующего их восстановления до МВ в системах искусственного фотосинтеза и в уже существующих промышленных установках, так и для возможного замещения синтезированными катализаторами Mn4CaO5-катализатора КВК ФС2 с целью создания новых эффективных, высокопроизводительных, стресс-устойчивых биогибридных систем. Одним из научно плодотворных и одновременно перспективных для экономики подходов познания фундаментальных принципов функционирования природного КВК ФС2, широко используемым многими научными группами наряду с другими подходами, является подход имитации КВК ФС2 путем создания и исследования синтетических металлорганических катализаторов расщепления воды на основе уже имеющихся данных о КВК ФС2, стремясь достичь максимально возможного соответствия по структурным и функциональным параметрам синтезируемых катализаторов природному КВК ФС2. Новые фундаментальные знания, получаемые в исследованиях создаваемых по образу и подобию КВК ФС2 катализаторов, служат источником информации о структурно-функциональных особенностях КВК ФС2, углубляют и расширяют наши представления об этом природном катализаторе окисления воды. С другой стороны, подход имитации природного КВК ФС2 используется в качестве основного подхода в исследованиях, направленных на создание искусственных катализаторов расщепления воды, соответствующих всем необходимым требованиям. Эффективным подходом разработки биогибридных систем является замещение компонентов природного КВК ФС2 синтезированными катализаторами ОВ или его компонентами. Несмотря на рост интереса к (окси)гидроксидам на основе Fe, Ni, Fe/Ni в качестве катализаторов ОВ, многое еще не выяснено. Новой фундаментально и экономически значимой задачей является выяснение изменений свойств металлорганических соединений Fe, Ni, Fe/Ni в условиях реакции ОВ, механизмы и структуры промежуточных и конечных продуктов их превращения. Наша новая гипотеза в том, что лиганд растворит ионы металла, осажденные на противоэлектроде, и повторно осадит их на поверхности рабочего электрода предотвращая падение каталитической активности. Насколько нам известно, это первый проект, посвященный глубокому исследованию соединений Fe, Ni, Fe/Ni в жестких условиях реакции ОВ. Новизна также в том, что будут созданы и всесторонне исследованы новые катализаторы на основе Fe, Ni и Fe/Ni с 2,2'-бипиримидином, получены новые фундаментальные и прикладные научные знания о механизме каталитического окисления воды в том числе в КВК ФС2, о стратегиях, методах, подходах создания искусственных структур, способных, имитируя природный КВК ФС2, существенно эффективнее осуществлять расщепление воды.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Создан гибридный нанокомпозит (ГНК) NiMn2O4/PANI как электрод для суперконденсаторов. ГНК имеет удельную емкостью (Cs=1530,01Ф/г при плотности тока 1А/г) и сохраняет более 93,61% исходной емкости в 10000 циклах. В двухэлектродной системе Cs=764Ф/г и 826Ф/г при плотности тока 1А/г, что характерно для двухслойного электроконденсатора. Созданы 3 нанокомпозита из НЧ теллурида железа(II) и полианилинового латекса: (FeTe-PANI-NS (нанолисты), FeTe-PANI-NRs (наностержни), нано-полианилиновые листы. СТАБ модулирует наноархитектуру, форму плоскостей НЧ FeTe: наностержни при 2мМ СТАБ и нанолисты при 4мМ СТАБ. В двухэлектродном электролизере в 1,0М KOH, нанокомпозиты расщепляют воду с плотностью тока 10мА/cm при напряжении 1,52В и стабильны 80ч, что сравнимо с Ru и Pt катализаторами. Создан нанокатализатор электрорасщепления воды GdCoO3-gC3N4 на основе НЧ гадолиний кобальт оксида, нанесенных на нанолисты графитизированного нитрида углерода эффективно катализирующий обе полуреакции расщепления воды. GdCoO3-gC3N4 показал снижение потенциала начала разряда на 0,95В и оверпотенциал 210мВ при плотности тока 10мА/см с наклоном Тафеля 44мВ/dec в OER. В HER нанокомпозит показал начальный потенциал 0,01В относительно Ag/AgCl и оверпотенциал 230мВ при плотности тока 10мА/см. Создан нанокатализатор электрорасщепления воды PPy/CuWO4 из вольфрамата меди, нанесенного на поверхность проводящего полимера полипиррола. PPy повышает уровни Ферми CuWO4, в результате PPy/CuWO4 создает большое количество сильных и легкодоступных зарядов, приводя к более эффективному расщеплению воды на Н2. В OER CuWO4-3/PPY показал потенциал 1,470В при плотности тока 10мA/см, оверпотенциал 197мВ, наклон Тафеля 34,4мВ/дек и сопротивление переноса заряда 2,3Ом. В HER - оверпотенциал 250мВ, наклон Тафеля 50мВ/дек при плотности тока 10мA/см. CuWO4 полностью покрывают поверхность PPy, что облегчает перенос заряда и позволяет НЧ перемещаться к поверхности. Создан нанокатализатор электрорасщепления воды гибридный нанокомпозит MoO3-rGO-1000 на основе НЧ оксида молибдена, нанесенных на листы восстановленного оксида графена (rGO), эффективно катализирующий OER и HER. Синтез MoO3-rGO-1000 произведен впервые. MoO3/rGO-1000 показал стабильность и активность в течение 14 часов, оверпотенциал 35мВ при плотности тока 10mA/cм в HER. MoO3/rGO-1000 показал активность в OER, оверпотенциал 213мВ при плотности тока 10mA/cm. Создан нанокатализатор электрорасщепления воды Fe2O3@CuO-400, на основе НЧ оксида железа и оксида меди. Fe2O3@CuO-400 показал большую активность, чем F2O3 и CuO, оверпотенциал 130 мВ при плотности тока 10мА/cм2 и наклон Тафеля 77мВ/дек в HER. В OER Fe2O3@CuO-400 показал оверпотенциал 230мВ и наклон Тафеля 54мВ/дек. Для деградации метиленового синего создан нано-фотокатализатор Ce2Zr2O7, легированный Cu. Ce2Zr2O7, легированный Cu показал 96 %-ную деградацию метиленового синего за 50 минут значительно превосходя нелегированный Ce2Zr2O7. Создан нанокатализатор электрорасщепления воды на основе сульфида меди(II) CuS/CuCo2O4. CuS/CuCo2O4 показал оверпотенциал 286 и 135мВ при плотности тока 10мА/cм2 в OER и HER. Более низкие наклоны Тафеля 170мВ/дек и 61мВ/дек в OER и HER, соответственно, что говорит о лучшей электрокаталитической эффективности CuS/CuCo2O4 по сравнению с CuS и CuCo2O4. CuS/CuCo2O4 имеет также более высокие значения TOF и электронной проводимости, чем CuS и CuCo2O4. Создан бифункциональный катализатор вертикальным закреплением нанолистов Gd2O3, легированных серебром, на трехмерной подложке из вспененного никеля (NF). Катализатор эффективно осуществляет OER и HER. Ag4%-Gd2O3/NF показал повышенную активность в HER, с высокой плотностью тока от 10 до 400мА/см при оверпотенциале от 14 до 122мВ. Ag4%-Gd2O3 имеет превосходную активность в OER с оверпотенциалом 209мВ при 10мА/см и способность генерировать пузырьки О2 20 часов. Созданы нанокатализатор электрорасщепления воды из оксида церия, допированного неодимом (CeNdO2); Nd и празеодимом (CeNdPrO2); и Nd и иттербием (CeNdYbO2). CeNdPrO2/NF в OER показал оверпотенциал 274мВ, наклон Тафеля 84мВ/дек и увеличенную площадь электрохимической поверхности. Высокая стабильность электрода CeNdO2/NF, легированного Pr, для системы электролиза воды сохраняется в 1500 циклах. Создан катализатор электрорасщепления воды MnCe3.67C6-700 из содержащего церий (Ce) Mn-органического каркаса Mn-Ce/MOF, пиролизом при 700С. MnCe3.67C6-700 в OER, показал оверпотенциал 231мВ при плотности тока 10mA/cm2; наклон Тафеля 68мВ/дек; увеличенную электрохимически активную поверхность (Cdl=77мФ/cм2) по сравнению с Mn-Ce/MOF (Cdl=34мФ/cм2); стабильность в OER более 150 часов, перспективность для коммерциализации. Исследован теллурид диспрозия (Dy2Te3) как катализатор OER и электрод суперконденсатора. Dy2Te3 показал в OER оверпотенциал 294мВ при 1,48В наклон Тафеля 48мВ/dec и межфазное сопротивление 13Ом. В трехэлектродной системе Dy2Te3 имеет плотность мощности 283,5Вт/кг, удельную емкость 645,33Ф/г и плотность энергии 22,8Вт-ч/кг при 1А/г; в двухэлектродной системе - удельную емкость 479Ф/г, плотность энергии 94Вт-ч/кг и плотность мощности 0,32кВт/кг при межфазном сопротивлении 1,03Ом. Изучены халькогены переходных металлов на основе церия (CeS, CeSe и CeTe) как катализаторы OER. CeTe на NF показал оверпотенциал 333мВ при 10мA/cм2 и наклон Тафеля 51мВ/дек. CeTe имеет площадь поверхности (83,7м2/г), кубическую структуру и высококристаллическую морфологию нанохлопьев. Доказано, что в биогибридных устройствах генерации фототока на основе фотосинтетических комплексов могут применяться препараты с ФС2 без кислород-выделяющего комплекса. Его могут заменить искусственные доноры электрона. При финансовой поддержке проекта РНФ №24-13-00033 в 2024 году опубликовано: 16 статей: из них 15 в Q1. Все публикации аффилированы с ИФР РАН, а в качестве источника финансирования указан РНФ грант №24-13-00033. 5879 символа с пробелами

 

Публикации

1. Аллахвердиев С.И. Artificial photosynthesis: Powering a green new deal for sustainable energy International Journal of Hydrogen Energy, 90:199-209 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.09.447

2. Альмархун З.М., Манзур И., Шах Дж.Х., Озкан Х.Г., Абид А.Г., Аллахвердиев С.И. Unprecedented electrochemical activity of GdCoO3-gC3N4 nanocomposite for bifunctional oxygen and hydrogen evolution reaction Journal of Physics and Chemistry of Solids, 193:112217 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jpcs.2024.112217

3. Альшгари Р.А., Абдулла М., Аббас Шах С.И., Абид А.Г., Мохаммад С., Эхсан М.Ф., Ашик М.Н., Аллахвердиев С.И. Enhanced photocatalytic property of Cu doped Ce2Zr2O7 toward photodegradation of methylene blue under visible light Heliyon, 10(14):e34266 (год публикации - 2024)
10.1016/j.heliyon.2024.e34266

4. Аллахвердиев Э.С., Косалбаев Б.Д., Садвакасова А.К., Бауенова М.О., Белкожаев А.М., Родненков О.В., Мартынюк Т.В., Максимов Г.В., Аллахвердиев С.И. Spectral insights: Navigating the frontiers of biomedical and microbiological exploration with Raman spectroscopy Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 252:112870 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jphotobiol.2024.11287

5. Хан М.М., Шах С.И.А., Шах М.А.Х., Наджам-уль-Хак М., Алотайби Н.Х., Мохаммад С., Зада И., Ашик М.Н., Аллахвердиев С.И. Fabrication of covellite supported spinel oxide CuCo2O4 hybrid nano-composite electrode for efficient overall water splitting Journal of Electroanalytical Chemistry, 967:118450 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jelechem.2024.118450

6. Рашид А.Р., Манзур С., Аджисафе М.П., Хан С.А., Сунь Б., Ялчин С., Цинь Х-Л., Аллахвердиев С.И. MOF-derived MnCe3.67C6Permeable microflower: A robust electrocatalyst for oxygen evolution reaction International Journal of Hydrogen Energy, 71:309-318 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.05.291

7. Шах С.И.А., Ансари М.Н., Ниса М.У., Бано Н., Шаббир Б., Альрашиди К.А., Мохаммад С., Хан М.С., Ашик М.Ф., Аллахвердиев С.И. Harnessing dysprosium telluride/GPE as an effective electrode for energy storage and conversion Journal of Energy Storage, 101:Article 113868 (год публикации - 2024)
10.1016/j.est.2024.11386

8. Волошин Р., Гончарова М., Жармухамедов С.К., Брюс Б.Д., Аллахвердиев С.И.. In vitro photocurrents from spinach thylakoids following Mn depletion and Mn-cluster reconstitution Biochimica et Biophysica Acta (BBY) – Bioenergetics, 1866(1):149523 (год публикации - 2024)
10.1016/j.bbabio.2024.149523

9. Абдулла М., Шах С.И.А., Джаббур К., Джон П., Эхсан М.Ф., Карами А.М., Ашик М.Н., Аллахвердиев С.И. Synthesis of NiMn2O4/PANI nanosized composite with increased specific capacitance for energy storage applications Dalton Transactions (год публикации - 2024)
10.1039/D4DT00722K

10. Альбаками М.Д., Ниса М.У., Манзур С., Шах Дж.Х., Мохаммад С., Ялчин С., Абид А.Г., Аллахвердиев С.И. Controlled fabrication of various nanostructures iron-based tellurides as highly performed oxygen evolution reaction International Journal of Hydrogen Energy, 60:593-600 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.02.051

11. Алотаиби Н.Х., Манзур С., Салим С., Мохаммад С., Халил М., Ялчин Ш., Абид А.Г., Аллахвердиев С.И. Rational development of PPy/CuWO4 nanostructure as competent electrocatalyst for oxygen evolution, and hydrogen evolution reactions International Journal of Hydrogen Energy, 59:1326-1334 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.02.125

12. Алотман А.А., Шах Дж.Х., Алджадоа К.А., Сойкан Г., Ялчин С., Абид А.Г., Аллахвердиев С.И. Fabrication of heterojunction electrode based on Fe2O3@CuO-400 nanocomposite constructed for hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy, 61:1004-1014 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.02.354

13. Мунавар Т., Башир А., Ниса М.У., Альшгари Р.А., Мухтар Ф., Мохаммад С., Ашик М.Н., Эхсан М.Ф., Икбал Ф., Аллахвердиев С.И. Unravelling the operando structural and chemical stability of rare earth metals co-doped CeO2-based electrocatalysts for oxygen evolution reaction International Journal of Hydrogen Energy, Available online 6 June 2024 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.06.019

14. Алотаиби Н.Х., Шах Дж.Х., Ниса М.У., Мохаммад С., Озкан Х.Г., Абид А.Г., Аллахвердиев С.И. Catalytic enhancement of graphene oxide by trace molybdenum oxide nanoparticles doping: Optimized electrocatalyst for green hydrogen production International Journal of Hydrogen Energy, 62:488-497 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.03.032

15. Манзур С., Али С., Манша М., Сафронова А.В., Альтаф Ф., Хан С.А., Аллахвердиев С.И. Boosting hydrogen production via alkaline water splitting: Impact of Ag doping in Gd2O3 nanosheet arrays International Journal of Hydrogen Energy, Available online 20 September 2024 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.09.220

16. Шукат К., Хан М.М., Бухари С., Шах С.И.А., Башир И., Алотман А.А., Эхсан М.Ф., Ашик М.Н., Аллахвердиев С.И. Study on oxygen evolution reaction efficiency demonstrated by Ce-E (E = S, Se and te) electrocatalyst International Journal of Hydrogen Energy, 69:11-20 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ijhydene.2024.04.343