Плазмохимический синтез как новый метод получения MXenes и наноструктурированных композитов на их основе с целью создания фототермических материалов нового поколения

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 24-23-00146

НазваниеПлазмохимический синтез как новый метод получения MXenes и наноструктурированных композитов на их основе с целью создания фототермических материалов нового поколения

Руководитель Сироткин Николай Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова Российской академии наук , Ивановская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Максены, карбиды, плазма, разряд, излучение, титан, вольфрам, молибден, ИК

Код ГРНТИ31.15.30

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Для достижения существенного прогресса в развитии общества необходимо совершенствовать перспективные технологии в различных сферах. Для этого требуется создание материалов, которые будут обладать различными функциями, а также иметь потенциал использования в разных сферах практической деятельности. Такие задачи определены в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Идея и цель проекта базируется на комплексном выполнении исследований, направленных изучение нового плазмохимического метода синтеза материалов поколения на основе MXenes и создание фототермических материалов, обеспечивающих эффективную конверсию падающей энергии в тепло, что позволяет использовать возобновляемую энергию солнечного излучения для создания эффективных фототермических конвертеров, компактных опреснителей и очистителей воды. Актуальность проблемы обусловлена потребностью в наноструктурированных композитных материалах, обладающих уникальными свойствами, и создании эффективных подходов для конвертации одних типов энергии в другие. Плазменно-жидкостные системы широко применяются для синтеза различных наночастиц, включая наночастицы металлов, и их оксидов, наночастицы кремния, углеродные частицы, в том числе графеновые структуры. Варьирование способов возбуждения плазмы и её параметров, состава среды, в которой горит разряд, позволяет получать наноструктуры различных морфологии и строения. Впервые в рамках данного проекта будет разработан одностадийный процесс получения соединений по типу максенов (Mxenes), основанный на плазмохимическом синтезе в разряде инициированном в неводной среде между металлическими электродами. MXenes представляют собой класс двумерных неорганических соединений, которые состоят из атомарно тонких слоев карбидов, нитридов или карбонитридов переходных металлов. К преимуществам предлагаемого метода можно отнести простоту получения материала, отсутствие необходимости в дорогом оборудовании и дорогих реактивах, возможность получать двойные MXenes (например Mo2Ti2C3) и допированные и модифицированные структуры, а также возможность создавать полимерные композиты на основе максенов. Модификация фазового и химического состава частиц MXenes путем их допирования или декорирования позволит добиться еще большей эффективности фототермической конверсии. Помимо этого, комбинация свойств гибридных наноструктур может стать ключевым подходом для эффективной фототермической конверсии в широком спектральном диапазоне, максимально согласованном со спектром солнечного излучения. Применение высокопроизводительных методов плазмохимического синтеза в жидкости может стать искомой высокоэффективной и экономически обоснованной альтернативной технологией синтеза MXenes. В настоящее время отсутствуют работы, посвященные синтезу максенов с использованием разрядов, контактирующих с жидкостями. Будут разработаны процессы синтеза MXenes: карбидов и нитридов титана, вольфрама, молибдена при горении разряда между металлическими электродами в неводных растворителях: тетрахлорметане и ацетонитриле. Данный подход будет реализован впервые в мировой практике. Проект направлен на детальное изучение фундаментальных процессов, происходящих в плазмы импульсного разряда с металлическими электродами, инициируемого в неводном растворителе, с целью разработки простого и эффективного метода получения уникальных наноматериалов на основе максенов с возможностью контроля размера, морфологии и фазового состава. С использованием полученных наноматериалов будут изготовлены нанодисперсии и функционализированные наночастицами мембраны, обладающие высокоэффективным широкополосным оптическим поглощением солнечной энергии. На основе полученных функциональных наноматериалов будут реализованы и протестированы эффективные фототермические преобразователи солнечной энергии, работающие как на принципах объемного, так и локализованного нагрева.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
MXenes – это семейство двумерных карбидов, карбонитридов и нитридов переходных металлов, которые могут использоваться в различных областях техники. Синтезированные MXenes имеют морфологию, подобную гармошке. MXenes, как проводящие слоистые материалы с функциональными поверхностными группами, имеют большой ряд перспективных применений в качестве устройств по хранению энергии (литий-ионные батареи, суперконденсаторы), фотокатализаторов, в качестве газовых датчиков, прозрачных проводящих электродов, электрохромных устройств. Отдельно стоит выделить применение MXenes в качестве фототермических материалов с уникальными свойствами. Это делает возможным их успешное применение в качестве перспективных опреснителей воды. Системы для опреснения воды стремительно набирают популярность. MXenes отлично подходят в качестве таких материалов, так как способны поглощать до 95 % солнечной энергии. Однако получение MXenes связано с многостадийными, крайне опасными, экологически вредными высокотемпературными процессами химического травления прекурсоров с использованием кислот (плавиковой или смеси фторидов и соляной кислоты), требующими дальнейшей утилизации побочных продуктов реакций. В качестве прекурсоров используются вещества по типу Ti3AlC2, сами по себе имеющие достаточно высокую стоимость. Предыдущие исследования показали, что подводная низкотемпературная плазма может быть использована для синтеза оксидных наноматериалов. Инициирование низкотемпературной плазмы между металлическими электродами в воде позволяет синтезировать наночастицы оксидов металлов и представляет собой перспективный подход для производства наноматериалов. В то же время можно инициировать разряд между металлическими электродами, погруженными в неводный растворитель. В данной работе предложен новый метод одностадийного получения MXenes и композитных материалов на основе MXenesа методом плазменно-жидкостного синтеза. Данный метод не требует сложных химических процессов и дорогостоящих прекурсоров и позволяет производить MXenes и композиты на основе MXenes в одном реакторе и в одну стадию. В ходе выполнения проекта нами успешно синтезированы наноструктуры подобные MXenes состава TiCnClx, MoCnClx и CrCnClx путем инициирования импульсного разряда между металлическими (Ti, Mo, Cr) электродами, погруженными в четыреххлористый углерод. При этом установлено, что получаемые MXenes не содержат никаких оксидных примесей. Главное преимущество этого метода заключается в том, что состав получаемых структур можно легко варьировать: так заменив материал электрода на другой металл, например, молибден, были синтезированы MXenes типа MoCnClx. Использование двойного импульсного разряда, инициируемого двумя независимыми источниками постоянного тока, позволяет получить двойные MXenes по типу Mo2TiC2 и точно контролировать состав получаемых MXenes, изменяя ток между одним из анодов и общим катодом. Все полученными MXenes имеют морфологию частиц, подобную "гармошке". Характеристика полученных структур проводилась с использованием различных методов, включая сканирующую электронную микроскопию, рентгенофазовый анализ, энергодисперсионную спектроскопию, Рамановскую и FTIR-спектроскопию. Результаты подтвердили успешное формирование MXenes с ионом Cl-, занимающим межслоевое пространство. Также в ходе выполнения проекта нами были успешно синтезированы нанокомпозиты на основе нитридных MXenes состава Ti2NTx, Mo2NTx и Ti2MoNTx и оксида графена путем инициирования импульсного разряда между двумя металлическими электродами (титановыми и молибденовыми электродами), погруженными в ацетонитрил. Найдено, что одновременно с синтезом MXenes происходит и образование оксида графена, что в конечном итоге приводит к образованию композита. Результаты подтвердили многослойную структуру нанокомпозитов на основе азотсодержащих MXenes со средним межслоевым расстоянием 0.2 нм. Картирование EDX показывает, что преобладающим элементом в композите является оксид графена, на котором расположены слои MXenes. Данные температурного нагрева/охлаждения дисперсий для каждого из образцов были использованы для определения коэффициентов фототермической конверсии. Полученные в работе композитные материалы демонструруют значения коэффициентов фототермического преобразования превышающие коэффициенты для MXenes состава Ti3C2Tx, полученных классическим методом синтеза. Кроме того, установлено, что данные композиты обладают отличной фототермической стабильности, так как после 5 циклов нагрева/охлаждения коэффициенты фототермической конверсии уменьшаются всего лишь на 3%. Таким образом, доказано, что плазмохимический синтез может быть успешно использован для синтеза MXenes и производства композитов на их основе. По результатам работы за первый год выполнения проекта подготовлены две статьи, одна из них опубликована в журнале Plasma Chemistry and Plasma Processings (Q1), представлены три устных доклада на международных конференциях. Результаты выполнения проекта опубликованы в ряде Интернет СМИ: https://nauka.tass.ru/nauka/21498789, https://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=fbb716c2-7f4b-40f0-88ee-c2a84f3ec382, https://rscf.ru/news/release/uchenye-razrabotali-novyy-metod-sinteza-khimicheskikh-soedineniy-dlya-ustroystv-nakopleniya-energii-/?ysclid=m3r5za3awb102222019.

Публикации

1. Сироткин Н.А., Хлюстова А.В., Агафонов А.В. Plasma-Liquid Synthesis as a New Method for the Production of MXenes Plasma Chemistry and Plasma Processing , V. 44, pp. 1853–1866 (год публикации - 2024)
10.1007/s11090-024-10483-7