КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-79-10205

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

РуководительПетухов Дмитрий Игоревич, Кандидат химических наук

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

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2020 - 06.2023 

КонкурсКонкурс 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 словаМембраны, 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.

Ожидаемые результаты
По результатам выполнения проекта будут получены следующие результаты, способствующие созданию промышленно применимых мембран для реализации практически важных баромембранных процессов: 1. Разработаны подходы к формированию бездефектных слоев на основе металлоорганических каркасных соединений с использованием подходов химического (electroless plating) и электрохимического осаждения (electroplating), структура которых и/или степень окисления металла может варьироваться за счет приложения электрического потенциала. Кроме того, будут установлены корреляции между скоростью переноса газов, жидкостей и ионов в таких структурах и их микроструктурой, и величиной внешних полевых воздействий. 2. Разработаны подходы к формированию бездефектных слоев на основе электропроводящих полимеров (полианилин, полипиррол, полиэтилендиокситиофен и их производные) методом электрохимического осаждения на проводящие пористые подложки. Для данных систем будут исследованы корреляции между redox-состоянием полимера и скоростью переноса газов, жидкостей и растворенных ионов. Управление redox-состоянием полимера может осуществляться путем приложения внешнего потенциала. 3. Разработаны подходы к формированию бездефектных слоев на основе слоистых соединений со структурой и свойствами, изменяемыми за счет внешнего воздействия. Для данных систем будут установлены корреляции между транспортными характеристиками и природой и величиной внешнего воздействия. По результатам проекта будут установлены предпочтительные механизмы переключения транспортных характеристик мембран с целью создания промышленно-применимых “умных” мембран и их использования в технологических процессах. Предполагается предложить оптимальные способы увеличения газопроницаемости, селективности и эксплуатационной стабильности композиционных переключаемых мембран. Полученные в рамках выполнения проекта научные результаты могут быть использованы при создании переключаемых мембран для таких технологически важных процессов, как выделение кислых компонентов из природного и попутного нефтяного газа, осушение газовых смесей, выделение конденсируемых компонентов из газовых смесей, обессоливание воды и очистка спиртов методом первапорации. Высокая востребованность полученных результатов определяется большим объемом рынка мембранных материалов (около 15 млрд. $) в 2019 году, а также непрерывным ростом данного рынка и постоянным внедрением мембранных технологий в новые и новые технологические процессы. Кроме того, разработанные мембраны могут быть использованы при решении глобальных вызовов, стоящих перед человечеством – в частности решение проблемы дефицита пресной воды или снижение атмосферных выбросов технологических процессов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Основное внимание в рамках текущего этапа работы было уделено формированию мембран на основе электроактивных каркасных соединений на примере берлинской лазури и исследованию их транспортных свойств в зависимости от величины подаваемого управляющего потенциала. Также в рамках данного этапа работы проведено формирование мембран на основе различных двумерных соединений и исследованию их микроструктуры. Для формирования умных мембранных материалов методом анодного окисления были изготовлены пористые подложки анодного оксида алюминия с диаметром пор от 40 до 120 нм. Условия термического напыления золотого контакта на поверхность мембран были оптимизированы исходя из значений удельной электропроводности слоя и изменения газопроницаемости пористой подложки после напыления. Емкостные и диэлектрические характеристики полученных пористых электродов были исследованы методом спектроскопии электрохимического импеданса в атмосферах с различным содержанием паров полярных соединений, а также в смеси полярной и неполярной жидкости. Наличие проводящего контакта позволяет формировать селективные слои гексацианоферратов переходных металлов с использованием электрохимического подхода в режиме циклической вольтамперометрии. Согласно данным растровой и просвечивающей электронной микроскопии данный режим позволяет сформировать бездефектные селективные слои, толщина которых определяется количеством циклов осаждения. Методом вольтамперометрии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии были определены условия изменения структуры сформированных селективных слоев и показано, что активный транспорт ионов в структуре берлинской лазури регулируется редокс состоянием селективного слоя. Приложение потенциала изменяет степень окисления атомов железа в селективном слое, что приводит к внедрению катионов в решетку для компенсации заряда. В процессе циклирования покрытия оказываются стабильными в течение более чем 50 циклов. По результатам измерения газопроницаемости установлено, что перенос газов через селективный слой берлинской лазури происходит по механизму конфигурационной диффузии, размер отсекаемых молекул определяется размером пустот в кристаллической решетке (< 0.3 нм). Кроме того, для диссоцирующего основного газа (аммиака) наблюдается облегченный транспорт посредствам протонного переносчика, что было доказано в экспериментах по изучению газопроницаемости сухого и влажного потока аммиака, а также на основании сравнения коэффициентов диффузии рассчитанных из газопроницаемости мембран и измеренных методом импеданс спектроскопии. Кроме того, в рамках выполнения работы была изучена скорость переноса различных однозарядных катионов через мембраны. Показана возможность управления селективностью и проницаемостью мембраны путем потенциостатической обработки – проницаемость мембраны растет с увеличением степени окисления атомов железа. Это позволяет говорить об успешном формировании умных мембранных материалов на основе берлинской лазури. Также в ходе работы методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии, картирования интенсивности люминесценции, рассеяния рентгеновского излучения в геометрии скользящего пучка были исследованы микроструктура и химический состав мембран на основе слоистых двумерных соединений. Селективный слой нанесен на поверхность мембраны равномерно и имеет требуемый химический состав для реализации процесса переключения мембраны между состояниями, что будет исследовано в ходе выполнения следующих этапов работы. В ходе выполнения проекта были опубликованы следующие работы: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738820315672 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0959943621000547

 

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).

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).