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 25-42-00116
НазваниеИсследование механизмов многоэлектронных реакций восстановления кислорода с помощью in situ синхротронных методов.
Руководитель Солдатов Михаил Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл
Конкурс №99 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-210 - Взаимодействие рентгеновского, синхротронного излучений и нейтронов с конденсированным веществом
Ключевые слова Экспериментальные методы in situ с микросекундным временным разрешением; Искусственный интеллект; энергодисперсионная спектроскопия рентгеновского поглощения; ИК-Фурье спектроскопия на синхротроне; Реакция восстановления кислорода
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
Будут разработаны новые методики in situ диагностики для современных синхротронов третьего и четвертого поколения. Разработанные методики позволят на новом уровне исследовать механизмы многоэлектронных реакций восстановления кислорода для создания более эффективных катализаторов. Значимость запланированных результатов на национальном уровне Российской Федерации обусловлена целями и задачами Федеральной научно-технической программы синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на период до 2030 года и дальнейшую перспективу. В настоящее время в Российской федерации на стадии модернизации, проектирования и строительства находятся пять синхротронных центров (СКИФ, СИЛА, РИФ, Курчатовский синхротронный центр и синхротронный центр в Зеленограде). Синхротронные центры 4 поколения генерируют пучки синхротронного излучения значительно более высокой интенсивности и открывают возможности проведения экспериментов с высоким временным разрешением. Однако, для реализации экспериментов с высоким временным разрешением на новых синхротронах требуется разработка соответствующих методик, на что и направлен настоящий проект.
Актуальность своевременного решения данной проблемы обусловлено необходимостью разработки и тестирования новых экспериментальных и аналитических методов одновременно с созданием российских синхротронных центров. Переход к внедрению современных экспериментальных методик одновременно с запуском российских синхротронных центров обуславливает необходимость предварительного тестирования разрабатываемых методик на современных синхротронах третьего и четвертого поколения. Дополнительную актуальность представляет возможность расширения взаимовыгодного сотрудничества с китайскими коллективами на введенных в эксплуатацию в Китае современных синхротронных центрах третьего и четвертого поколения.
С свою очередь, разрабатываемые методики позволят установить фундаментальные взаимосвязи между структурой и каталитическими свойствами перспективных катализаторов и установить механизмы многоэлектронных реакций восстановления кислорода с высоким временным разрешением. Это в свою очередь позволит перейти к экологически чистой и ресурсосберегающий энергетике, формированию новых источников энергии, способов её передачи и хранения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках проекта выполнен комплекс работ, направленных на создание и верификацию нового подхода для operando исследований электрохимических систем, сочетающего специализированное аппаратное обеспечение и методы искусственного интеллекта для анализа данных.
В частности, была разработана и протестирована микрофлюидная in situ ячейки для синхротронных исследований. Для проведения кинетических измерений в условиях, совместимых с рентгеновскими методами были спроектированы и изготовлены методом 3D-печати две проточные электрохимические ячейки: микроканальная и общего объёма. Проведённое тестирование со стандартным катализатором Pt/C выявило ключевые преимущества ячейки общего объёма: низкое омическое сопротивление (~300 Ом) и стабильные гидродинамические условия, что обеспечивает воспроизводимые измерения при управляемом конвективном массопереносе. Ячейка позволяет проводить in situ/operando исследования электрохимических реакций восстановления кислорода на синхротронных источниках, где использование стандартных методик (вращающийся дисковый электрод) невозможно.
Создан программный комплекс DeepFit, ядром которого является глубокая нейросеть, корректно учитывающая физические симметрии (инвариантность к поворотам и трансляциям). Для этого была создана масштабная библиотеки синтетических спектров tmXAS. Для обучения нейронных сетей сформирована уникальная база данных, содержащая десятки тысяч теоретических спектров рентгеновского поглощения (XANES). Спектры рассчитаны методом функций Грина для широкого массива геометрически оптимизированных комплексов переходных металлов (набор tmQM), охватывающих разнообразие координационных сфер, степеней окисления и типов лигандов. Данные унифицированы и прошли строгий контроль качества, что обеспечивает репрезентативность выборки для задач катализа. Данная база данных использовалась для обучения эквивариантной графовой нейронной сети E(3). Сеть обучалась на базе tmXAS и демонстрирует высокую способность предсказывать спектры XAS по атомной структуре, эффективно моделируя эффекты многократного рассеяния. Разработан и реализован алгоритм физически информированной оптимизации, который использует автоматическое дифференцирование через обученную сеть DeepFit и квантово-химическую регуляризацию (GFN2-xTB) для восстановления локальной атомной структуры по экспериментальному спектру. Метод показал точность определения длин связей (~0.06 Å), сопоставимую с классическим EXAFS-анализом, но при полной автоматизации процесса. Продемонстрирована селективность метода в дискриминации ложных структур (AUC ~0.73) и успешное применение для анализа реальных каталитических систем (комплексы Ni(salen)).
В ходе выполнения проекта создан инновационный инструментальный и программный комплекс, позволяющий проводить in situ/operando структурные исследования электрохимических катализаторов на синхротроне с последующей автоматизированной расшифровкой спектров XAS с помощью методов глубокого обучения. Это открывает новые возможности для установления корреляций «структура-активность» в реальных условиях работы каталитических систем.
Публикации
1. Скляров В.М., Грицай М.А., Ролдугин В.А., Панкин И.А., Солдатов М.А. Operando ячейка для исследования катализаторов реакции восстановления кислорода с помощью лабораторного спектрометра рентгеновского поглощения. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования (год публикации - 2025)