Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Исследования, проводимые в первый год выполнения проекта, были направлены на получение и анализ свойств смешанных нестехеометрических оксидных наночастиц типа WO3@MoOx, WO3@TiO2, полученных с использованием плазмы импульсного подводного разряда постоянного тока, инициируемого в воде между металлическими электродами, оксидных наночастиц переменного состава на основе оксидов вольфрама и молибдена с использованием двойного подводного разряда от двух независимых источников высокого напряжения, инициируемый в трехэлектродной системе и композитов поливиниловый спирт (ПВС) с наночастицами оксидов титана и молибдена. Анализ полученных образцов показывает, что металл, используемый в качестве анода, образует большое количество оксида, а на его поверхности формируется оксидная структура другого металла, используемого в качестве катода. Согласно результатам исследований, в частности методом просвечивающей электронной микроскопии, во всех образцах доказано наличие гетероструктур и дефектной структуры с внутренней фазовой неоднородностью. Таким образом, варьирование полярности электрода позволяет получать оксидные наночастицы с преобладанием того или иного металла. Эти материалы с различными пропорциями W-Mo или W-Ti были использованы для изготовления фотоанодов в сенсобилизированных красителями солнечных элементов (СКСЭ). Полученные результаты показывают, что композитный материал на основе оксида вольфрама, декорированного нестехеометрическим оксидом молибдена, является наиболее перспективным материалом для изготовления сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В данном СКСЭ плотность тока короткого замыкания составляет 4.8 мА/см2, коэффициент заполнения 51% и эффективность преобразования солнечной энергии в 4.11%, демонстрируя лучшие свойства по сравнению с СКСЭ, изготовленными из чистых оксидов титана или оксида вольфрама. Впервые сконструирована ячейка для зажигания двойного импульсного подводного разряд,а инициируемого двумя независимыми источниками постоянного тока и исследованы его свойства. Впервые установлены спектральные и электрические характеристики разряда. Показано, что в процессе горения разряда синтезируются биметаллические наночастицы оксидов металлов, используемых в качестве электродов. Конфигурация электродной части ячейки позволяет существовать двум плазменным стримерам (разрядам) независимо друг от друга. Найдено, что состав образующихся частиц оксидов можно регулировать, изменяя ток между одним из анодов и общим катодом. Таким образом, использование двойного импульсного подводного разряда позволяет получать наночастицы оксидов металлов с заданными свойствами, что открывает большие перспективы по использованию данного типа разряда как экологически чистого, безреагентного и простого способа биметаллических и триметаллических оксидных наночастиц с целевыми свойствами. Для всех полученных наночастиц были определены значения ширины запрещенной зоны. Установлено, что изменение тока разряда между одной парой электродов позволяет получить материалы с более низкими значениями ширины запрещенной зоны (около 2.7 эВ). Впервые исследовался одностадийный метод получения нанокомпозитов ПВС с TiO2, MoO3, смешанными наночастицами MoO3/TiO2 и MoO3/TiO2 с использованием подводного низкотемпературного плазменного разряда. Подводный импульсный разряд индуцировали между металлическими электродами в водном растворе ПВС. Преимуществами этого метода являются простота синтеза наночастиц оксидов металлов, отсутствие необходимости в токсичных химических восстановителях и дополнительных стабилизирующих агентах, а также возможность совмещать процессы модификации полимеров с синтезом наночастиц. Результаты рентгенофазового, ПЭМ и ИК-анализа показали, что наночастицы оксида металла внедряются в полимерную матрицу. Добавление оксидов металлов к полимеру улучшает электрическую проводимость ПВС в 50-80 раз. Благодаря наличию в нанокомпозите областей с объемными гетеропереходами значения ширины запрещенной зоны как для непрямых, так и для прямых переходов для композитов уменьшаются по сравнению с исходным ПВС на 23-47%. Полученные нанокомпозиты были использованы для создания СКСЭ. Значения плотности тока короткого замыкания фотоэлементов с полимерными композитами выше, чем без ПВС, что подтверждает светорассеивающий эффект ПВС + оксиды металлов и пригодность применения подобных композитов при создании солнечных элементов на основе красителей.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках данного проекта синтезированы полимерные композиты, включающие наночастицы оксидов вольфрама, алюминия, цинка с использованием плазмы разрядов контактирующих с жидкостью. Полученные продукты охарактеризованы методами динамического рассеяния света, рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии в сочетании с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией, просвечивающей электронной микроскопией. Для получения наночастиц использован разряд постоянного тока с двумя металлическими электродами, расположенными в жидкости. Исходя из величин энергозатрат, необходимых на образование наночастиц, данные способы синтеза являются одними из наиболее энергоэффективных методов плазменного синтеза наночастиц оксидов металлов. Изменение тока разряда позволяет варьировать фазовый состав образующихся оксидных частиц. В ходе выполнения проекта впервые для получения наночастиц оксидов металлов и создания полимерных нанокомпозитов применен подводный импульсный разряд, инициированный в водной дисперсии полианилина (ПАНИ) между вольфрамовыми стержнями. Физико-химические методы анализа подтвердили присутствие частиц оксида вольфрама в конечном композите, а спектроскопические характеристики выявили взаимодействие между оксидом металла и ПАНИ. Результаты показали, что включение WO3 в матрицу ПАНИ может улучшить оптическую ширину запрещенной зоны нанокомпозитов. Энергия оптической запрещенной зоны образцов ПАНИ, ПАНИ + WO3 0.8 А и ПАНИ + WO3 0.25 А достигала около 3,74 эВ, 3,64 эВ и 3,48 эВ соответственно. Кроме того, электрохимические характеристики гибридных нанокомпозитов были протестированы с помощью циклической вольтамперометрии и гальваностатического заряда-разряда и стабильности при заряде-разряде. Удельная емкость полученных композитов увеличивается в три раза по сравнению с чистым полианилином, и достигает значение около 88 Ф/г.Гибридные материалы, изученные в этом исследовании, оказались исключительно стабильными, с сохранением емкости в диапазоне от 74.6% до 89.2% даже после 1000 циклов при высокой плотности тока 1.0 А/г. Полученные данные показали, что нанокомпозит ПАНИ + WO3 может быть перспективным кандидатом в качестве электродного материала для мощных суперконденсаторов. Результаты этой работы могут значительно продвинуть будущее электродов суперконденсаторов из нанокомпозитов. Впервые импульсной подводной плазмой получены оксидные структуры Al-Zn инкапсулированные в полимер - поливиниловый спирт. Данные сканирующей электронной микроскопии показали, что наночастицы наполнителя равномерно распределен в полимерной матрице. Структурный анализ показал сильное взаимодействие структур Al и Zn с функциональными группами полимера. Термический анализ показал, что в зависимости от параметров разряда можно получить композитные материалы с более высокой температурой плавления. Вольтамперные кривые полимерных композитов показывают неомическое поведение, типичное для биполярных транзисторов. Диэлектрические измерения показали, что растворы ПВС + оксиды металлов обладают высокой электропроводностью. Релаксационные процессы в таких композитах происходят на высоких частотах. Это позволяет охарактеризовать композиты как весьма перспективные материалы для гибкой электроники. Таким образом импульсную подводную плазму можно рассматривать как новый инструмент получения полимерных композитов с улучшенными термическими и электрическими свойствами.