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 22-13-00436
НазваниеНовый подход к получению функциональных материалов на основе однослойный углеродных нанотрубок, синтезированных аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы
РуководительНасибулин Альберт Галийевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов
Ключевые словаоднослойные углеродные нанотрубки, сенсоры, прозрачные электроды, легирование, люминесценция, ИК-маркеры, хиральность, оксид ванадия, катодный материал
Код ГРНТИ47.09.48
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) являются классом материалов, обладающих уникальным набором механических, оптических, структурных или электрофизических характеристик. Несмотря на то, что порошки и пленки ОУНТ находят свое применение в качестве компонентов композиционных конструктивных и функциональных материалов, использование индивидуальных нанотрубок в медицине, оптоэлектронике и сенсорике ограничено, что, в свою очередь, связано с необходимостью контроля характеристик продукта на принципиально новом уровне. Действительно, несовершенство методов получения углеродных нанотрубок, а также невозможность неразрушающего выделения индивидуальных нанотрубок из их агломератов привели к тому, что были развиты дорогостоящие и многостадийные процессы очистки и выделения одиночных нанотрубок с заданным типом проводимости.
В настоящем проекте мы предлагаем принципиально новый подход, заключающийся в модификации ОУНТ в форме индивидуальных аэрозольных частиц, что позволит разработать непрерывные масштабируемые процессы перевода индивидуальных ОУНТ в суспензию для создания композиционных материалов, минуя длительную стандартную процедуру ультразвуковой обработки и ультрацентрифугирования. В ходе реализации проекта мы также разрабатываем альтернативный метод получения ОУНТ с высоким выходом и с использованием в качестве источника углерода дешевых соединений (изопропилового спирта или толуола). В рамках проекта будет проведено комплексное исследование взаимосвязи процессов синтеза и модификации углеродных нанотрубок на целевые показатели ключевых приложений (прозрачные электроды, газовые сенсоры, люминесцирующие маркеры, болометры и литий-ионные батареи). В частности, будут развиты процессы высокопроизводительного получения суспензий индивидуальных ОУНТ в растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ), несовместимых с ультразвуковой обработкой (например, РНК), а также покрытие углеродных нанотрубок стабильными оксидами металлов с высокой работой выхода, например, V2O5, MoO3, WO3, будет изучена возможность модификации ОУНТ с целью усиления сигнала фотолюминесценции, в том числе за счет создания защитных покрытий на основе SiO2 и Al2O3.
Уникальный набор компетенций команды проекта, а также приборная база обеспечат высокий уровень заявленных исследований, а оригинальность предложенных походов обеспечат лидерство отечественных технологий в области создания устройств на индивидуальных углеродных нанотрубках.
Ожидаемые результаты
Команда проекта обладает признанными на международном уровне компетенциями в области синтеза и характеризации углеродных наноматериалов, а также в создании различных устройств на их основе.
В ходе реализации междисциплинарного проекта будут получены следующие результаты:
• Разработан метод синтеза однослойных углеродных нанотрубок в аэрозольном реакторе с применением толуола или изопропилового спирта в качестве основного источника углерода;
• Впервые разработана и создана установка по улавливанию аэрозольного потока содержащего ОУНТ в жидкость с последующим получением суспензии индивидуальных нанотрубок и их фракционированием по хиральностям;
• Разработаны новые подходы по модификации ОУНТ для усиления сигнала фотолюминесценции, в том числе с использованием защитных слоёв на основе SiO2 и Al2O3;
• Исследованы газочувствительные свойства ОУНТ, обогащенные различными хиральностями по отношению к таким аналитам как NO2, H2S, NH3 и др.; на основе полученных ОУНТ будет создана и апробирована линейка сенсорных элементов, обладающих различающимися откликами, для создания газоаналитической системы типа «электронный нос»;
• Разработаны различные фотолюминесцентные излучатели в ИК диапазоне на основе ОУНТ для различных применений, в том числе и для визуализации биологических объектов.
• Разработан новый подход по созданию композита MexOy-ОУНТ путем захвата нанотрубок в туман, содержащий предшественники соединений ванадия, молибдена и вольфрама.
Необходимо отметить, что разработка данной тематики основана на междисциплинарных научных исследованиях, связанных с различными аспектами материаловедения, химии и физики (что, в частности, обуславливает наличие в команде проекта специалистов в области общей и физической химии, катализа, сенсорики, оптики, физики твердого тела и т.п.). Проект сформирует комплексную стратегию: начиная от конкурентоспособной на мировом уровне технологии масштабируемого получения ОУНТ и их модификации и заканчивая разработкой оригинальных и эффективных устройств на их основе.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения работ в первом отчетном периоде, команда проекта главным образом была сфокусирована на развитии новых концепций и подходов по получению и модификации ОУНТ и тонких пленок на их основе.
Основные научные результаты, полученные в 2022 году:
Создана установка для получения однослойных углеродных нанотрубок с использованием аэрозольного метода химического осаждения из газовой фазы (CVD) и толуола выступающего в роли основного источника углерода. Найдена корреляции между ключевыми параметрами синтеза: концентрацией толуола, ферроценом (прекурсор катализатора) и временем контакта и оценено влияния концентраций толуола и катализатора на конечные свойства получаемого материала и выход продукта. Проведен комплексный анализ синтезированных ОУНТ с целью дальнейшей корректировки условий получения нанотрубок: показано, что повышение концентрации катализатора закономерно ведет к высокому выходу, а варьирование потока через реактор позволяет обеспечить как высокий выход, так и высокую проводимость пленок;
Смоделирована установка по захвату аэрозоля неагрегированных нанотрубок искусственным туманом «туманная ловушка», получены первые стабильные водные суспензии ОУНТ, стабилизированные различными ПАВ без использования дополнительной ультразвуковой обработки;
Было сформировано покрытие на основе SiO2 на поверхности индивидуальных ОУНТ путем щелочного гидролиза ТЭОС. Показано, что с увеличением толщины барьерного слоя SiO2 на поверхности нанотрубок наблюдается пропорциональное усиление сигнала фотолюминесценции. Для концентрации ТЭОС 9 мМ было получено 50% усиление люминесценции ОУНТ;
Получены образцы ОУНТ легированные оксидами металлов с высокой работой выхода, в частности с использованием пентаоксида ванадия. Продемонстрирована возможность использования алкокидов как для легирования нанотрубок, так и для получения композитов ОУНТ-MexOy (например V2O5) путем захвата аэрозольного потока неагрегированных нанотрубок в туман содержащий раствор прекурсора, при этом данный подход не показал значимых результатов в легировании, поэтому в следующем году вектор исследований будет смещен на легирование ОУНТ альтернативными оксидными соединениями в аэрозольной среде.
Были получены композиты V2O5-ОУНТ для их последующего тестирования в качестве материала катода в литий-ионных аккумуляторах путем равномерного покрытия прекурсором нанотрубок в аэрозольном потоке, за счет формирования тонкого слоя оксида ванадия на поверхности ОУНТ создаются условия для отсутствия контакта (перколяции) непосредственно между нанотрубками.
Публикации
1. Калачикова П. М., Гольдт А. Е., Хабушев Э. М., Еремин Т. В., Зацепин Т. С., Образцова Е. Д., Ларионов К,. Антипина Л.Ю., Сорокин П.Б. , Насибулин А.Г. Single-step extraction of small diameter single-walled carbon nanotubes in the presence of riboflavin The BEILSTEIN JOURNAL OF NANOTECHNOLOGY, Germany, - (год публикации - 2022)
2. Мария А. Жиляева, Оедамола А. Асиянбола, Максим В. Ломакин, Дима М. Миронов, Борис С. Волосков, Бьорн Микладаль, Дмитрий О. Цецеруков, Федор С. Федоров, Анна И. Вершинина, Сергей Д. Шандаков и Альберт Г. Насибулин Tunable force sensor based on carbon nanotube fiber for fine mechanical and acoustic technologies IOP science, Nanotechnology, Bristol, UK, 33, 48 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac8b18
3. Рамирес-Моралес М.А., Гольдт А.Е., Калачикова П.М., Рамирес Б.Х.А., Судзуки М., Жигач А.Н., Бен Салах А., Шурыгина Л.И., Шандаков С.Д., Зацепин Т., Красников Д.В., Маекава Т., Николаев Е.Н., Насибулин А.Г. Albumin Stabilized Fe@C Core–Shell Nanoparticles as Candidates for Magnetic Hyperthermia Therapy MDPI, Nanomaterials, Basel, 12, 16, 2869. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12162869
4. С. Мухангали, В. Неплох, Ф. Кочетков, А. Воробьев, Д. Митин, М. Мухин, Д. К. Красников, Ж. Тиан, Р. Исламова, А. Г. Насибулин, И. Мухин Elastic single-walled carbon nanotubes pixel matrix electrodes for flexible optoelectronics Applied Physics Letters, Volume 121, Issue 24 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1063/5.0125974
5. Хассаан А. Бутт, Герман В. Рогожкин, Андрей Старков, Дмитрий В. Красников и Альберт Г. Насибулин Multifunctional Carbon Nanotube Reinforced Polymer/Fiber Composites: Fiber-Based Integration and Properties Next Generation Fiber-Reinforced Composites - New Insights, IntechOpen Limited, London, UK, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5772/intechopen.108810
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках выполнения работ во втором отчетном периоде, команда проекта главным образом была сфокусирована на двух больших направлениях, связанных с отработкой подходов по получению, модификации ОУНТ и их применению.
Основные научные результаты, полученные в 2023 году:
Исследованы ряд параметров для получения ОУНТ аэрозольным методом с использованием исключительно толуола в качестве источника углерода. Показана важность водорода в системе для ингибирования пиролиза толуола. При этом снижение общей скорости подачи толуола при общем сохранении количества подаваемого катализатора (ферроцен) положительным образом влияет на эквивалентное сопротивление и снижает комплементарный оптимум количества водорода.
Отработаны условия с использованием метода захвата аэрозоля ОУНТ искусственным туманом «Туманная ловушка» для формирования стабильных суспензий ОУНТ с применением различных ПАВ (Тритон Х-100, додецил сульфат натрия (SDS) и диоксихолат натрия (DOC). Также получены стабильные суспензии ОУНТ с РНК. Целостность РНК после стабилизации ОУНТ оценивали с помощью электрофореза в агарозном геле. Захват ОУНТ в туман, подтверждает «мягкость» подхода и отсутствие фрагментирования РНК, тогда как ультразвуковая обработка приводит к частичному разрушению РНК, при диспергировании ОУНТ в раствор, собранных предварительно на фильтр.
Собрана установка для температурного разделения ОУНТ больших диаметров от 1.5 до 2 нм. При этом температура напрямую влияет на взаимодействие ОУНТ/ПАВ – гель (Sephacryl S-200). Нагрев до 50 °C приводит к захвату в геле полупроводниковых фракций ОУНТ, которые постепенно высвобождаются с понижением температуры в процессе элюирования колонки.
Подобраны условия присоединения арилдиазония (sp3- дефект) к поверхности ОУНТ, выявлены оптимальные концентрации для усиления сигнала люминесценции ОУНТ. Сформирован защитный барьерный слой SiO2 на поверхности функционализированных нанотрубок. При этом возникает дополнительные конфигурации дефектов со смещенной эмиссией в красноволновую область ~1260 нм.
Разработан принципиально новый метод легирования оксидом азота (IV) при повышенных температурах, который не только позволяет получить стабильные прозрачные электроды, но и обеспечивает высокую степень легирования (р-тип) нанотрубок.
Протестирована стабильность системы ОУНТ-V2O5 с использованием климатической камеры, показана перспективность использования данного типа материала как в качестве катода в литий-ионных аккумулятора (удельная емкость материала составила 330 мА ч/г, что выше соответствующих значений, сообщавшихся ранее для 3D катодных материалов на основе V2O5/УНТ), так и в прозрачных электродах.
Публикации
1. - 111 -, - (год публикации - )
2. Александр Марунченко, Валерий Кондратьев, Анатолий Пушкарев, Сослан Хубежов, Михаил Баранов, Альберт Насибулин, Сергей Макаров Mixed Ionic-Electronic Conduction Enables Halide-Perovskite Electroluminescent Photodetector Wiley-VCH GmbH, Weinheim, Volume17, Issue9, 2300141 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/lpor.202300141
3. Александр Павлов, Дмитрий Митин, Александр Воробьев, Сергей Раудик, Юрий Бердников, Алексей Можаров, Владимир Михайловский, Дмитрий Владимирович Красников, Дарья Сергеевна Копылова, Роман Полозков, Альберт Григорьевич Насибулин, Иван Мухин Conductivity-based approach to estimate average bundle length in randomly oriented network of single-walled carbon nanotubes Appl. Phys. Lett., Vol.123, issue 1, 011904 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1063/5.0155608
4. Алексеева А.А., Красников Д.В., Лившиц Г.В., Романов С.А., Попов З.И., Варламова Л.А., Суханова Е.В., Климович А.С., Сорокин П.Б., Савилов С.В., Насибулин А.Г. Films enriched with semiconducting single-walled carbon nanotubes by aerosol N2O etching Carbon, Volume 212, 118094 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118094
5. Илатовский Д.А., Красников ,Д.В., Гольдт А.Е., Мусавихашеми С.,Сайнио Я., Хабушев Э.М., Алексеева А.А.,Лучкин С.Ю., Винокуров З.С., Шмаков А.Н., Элакшар А., Каллио Т., Насибулин А.Г. Robust method for uniform coating of carbon nanotubes with V2O5 for next-generation transparent electrodes and Li-ion batteries RSC Advances, 13, 25817-25827 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D3RA04342H
6. Катыба Г.М., Рагинов Н.И., Хабушев Э.М., Желнов В.А, Городецкий А., Казарян А.Д., Миронов М.С., Красников Д.В, Гладуш Ю.Г., Ллойд-Хьюз Д., Насибулин А.Г., Арсенин А.В., Волков В.С., Зайцев К., Бурданова М.Г. Tunable THz flat zone plate based on stretchable single-walled carbon nanotube thin film Optica Publishing Group, Vol.10, No.1, 53-61 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1364/OPTICA.475385
7. Софья Комракова, Павел Ан, Вадим Ковалюк, Александр Голиков, Юрий Гладуш, Арам Мкртчян, Дмитрий Чермошенцев, Дмитрий Красников, Альберт Насибулин и Григорий Гольцман Hybrid Silicon Nitride Photonic Integrated Circuits Covered by Single-Walled Carbon Nanotube Films Nanomaterials, Vol.13, issue 16, 2307 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/nano13162307