Умные мембранные материалы для адаптируемых процессов разделения в газовых и жидких средах

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 20-79-10205

НазваниеУмные мембранные материалы для адаптируемых процессов разделения в газовых и жидких средах

Руководитель Петухов Дмитрий Игоревич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №50 - Конкурс 2020 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 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова Мембраны, переключаемые мембраны, металлоорганические каркасные соединения, проводящие полимеры, слоистые двумерные материалы,газоразделение, фильтрация

Код ГРНТИ31.15.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку и изучение новых классов мембранных материалов ключевые характеристики которых (проницаемость и селективность), можно изменять с помощью внешних воздействий. Актуальность данного исследования непосредственно связана с активным развитием мембранных технологий и их внедрением во многие технологические процессы. Использование мембран с характеристиками, регулируемыми внешним воздействием, позволит дополнительно расширить области применения мембранных материалов за счет возможности подстройки процесса разделения при изменении состава сырьевой смеси. На сегодняшний день, возможность контролируемого изменения свойств мембранных материалов реализуется лишь в единичных работах с использованием полимерных молекул, обладающих конформационной чувствительностью по отношению к тому или иному внешнему воздействию (присутствие определенных соединений в растворе, температура, электрическое поле). Однако на сегодняшний день полимерные мембраны практически достигли своего предела по соотношению таких характеристик материала, как селективность и проницаемость, поэтому целесообразным представляется разработка новых классов мембранных материалов на основе неорганических слоистых соединений или же металлоорганических каркасов. При этом наиболее востребованным способом управления характеристиками мембраны является использование электрохичиского потенциала. Для решения задач, поставленных в проекте, предполагается создание и изучение свойств «умных» мембранных материалов на основе каркасных структур (гексацианоферраты, металлоорганические каркасные структуры на основе тетрацианохинодиметана, функционализированных азабензолов и родственные соединений), проводящих полимеров (полианилина, полипиррола, полиэтилендиокситиофена и их производных) и слоистых двумерных соединений (оксида графена, восстановленного оксида графена, слоистые карбиды и дисульфидов металлов, нанолистов CdTe), характеристики которых можно варьировать за счет воздействия внешних полей. Для снижения вклада основы мембраны в процессы массопереноса в качестве подложек для формирования селективных слоев будут использованы пленки пористого оксида алюминия варьируемого диаметра (10-100 нм) с иерархической структурой. Для формирования электропроводящих контактов будут использованы слои инертных металлов (Pt, Au, Pd), наносимые методами газофазного осаждения. Будут проведены исследования возможности электрохимического формирования плотных селективных слоев на основе электроактивных соединений, таких как проводящие полимеры и металлоорганические каркасные структуры. Также для формирования селективных слоев будут использованы химические и электрофоретические методы осаждения. Для сформированных мембранных материалов будет проведена комплексная характеризация микроструктуры и химического состава с привлечением широкого спектра аналитических методов. Функциональные свойства полученных структур будут исследованы в процессах газоразделения, первапорации и процессах разделения ионов в жидкой среде. Управление селективностью и проницаемостью полученных мембран предполагается проводить за счет воздействия внешних полей (приложение потенциала к мембране, а также облучение ультрафиолетовым и видимым светом). Для установления причин изменения селективности и проницаемости мембран под действием внешних полей будут проведены эксперименты в режимах in situ и in operando, позволяющие установить взаимосвязь между изменением в структуре материала и изменением его проницаемости. Экспериментальные данные будут сопоставлены с результатами моделирования процессов массопереноса, полученными с помощью полуэмпирических методов. Научная новизна выполняемого проекта заключается в расширении класса материалов, используемых для создания переключаемых мембран, установлении механизмов их переключения, а также, в отработке методик контролируемого изменения свойств мембранных материалов за счет воздействия внешних полей. По результатам проекта будут установлены предпочтительные механизмы для управления транспортными характеристиками промышленно-применимых «умных» мембран для использования в различных технологических процессах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Д.И. Петухов, А.С. Кан, А.П. Чумаков, О.В. Коновалов, Р.Г, Валеев, А.А. Елисеев MXene-based gas separation membranes with sorption type selectivity Journal of Membrane Science, Volume 621, Article No. 11899 (год публикации - 2021)
10.1016/j.memsci.2020.118994

2. Д.И. Петухов, О.О. Капитанова, Е.А. Еремина, Е.А. Гудилин Preparation, chemical features, structure and applications of membrane materials based on graphene oxide Mendeleev Communications, 31, 137–148 (год публикации - 2021)
10.1016/j.mencom.2021.03.001

3. Комкова М.А., Садилов И.С., Броцман В.А., Петухов Д.И., Елисеев А.А. Facilitated transport of ammonia in ultra-thin Prussian Blue membranes with potential-tuned selectivity Elsivier, Volume 639, 119714 (год публикации - 2021)
10.1016/j.memsci.2021.119714

4. Садилов И.С., Елисеев Ан.А., Елисеев Ар.А., Чумакова А.В., Куртина Д.А., Васильев Р.Б., Петухов Д.И. The origin for hydrocarbons fast transport and photoswitching permeation behavior in grafted laminar CdTe membranes Journal of Membrane Science, №661, Article No. 120912 (год публикации - 2022)
10.1016/j.memsci.2022.120912

5. Садилов Илья, Петухов Дмитрий, Броцман Виктор, Чумакова Александра, Елисеев Артем, Елисеев Андрей Light Response and Switching Behavior of Graphene Oxide Membranes Modified with Azobenzene Compounds Membranes, 12(11), 1131 (год публикации - 2022)
10.3390/membranes12111131

6. Гурьянов К.Е., Елисеев А.А., Броцман В.А., Поярков А.А., Рыжов И.А., Зотов Т.А., Чумаков А.П., Петухов Д.И. Pervaporation desalination with graphene oxide membranes: The influence of cation type and loading Desalination, №547, Article No. 116238 (год публикации - 2023)
10.1016/j.desal.2022.116238

Публикации