Новые гибридные и углеродные аэрогели – синтез и анализ структуры методами малоуглового рассеяния

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 19-73-20125

НазваниеНовые гибридные и углеродные аэрогели – синтез и анализ структуры методами малоуглового рассеяния

Руководитель Баранчиков Александр Евгеньевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова аэрогели, наноматериалы, малоугловое рассеяние нейтронного излучения, ультрамалоугловое рассеяние нейтронного излучения, малоугловое рассеяние рентгеновского излучения, гибридные материалы, углеродные материалы, мезоструктура, фракталы, неупорядоченные структуры

Код ГРНТИ31.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной проблемы создания методов получения материалов, в том числе гибридных, на основе аэрогелей – уникальных высокопористых сверхлегких материалов, имеющих широкие возможности практического применения. Решение запланированных в проекте задач требует использования возможностей объекта инфраструктуры «Импульсный исследовательский ядерный реактор ИБР-2» (г. Дубна) для детального анализа структуры аэрогелей в диапазоне масштабов от 1 нм до 2 мкм. Проведение этих измерений призвано способствовать решению проблемы разработки единых методик анализа структуры материалов на основе аэрогелей с использованием методов малоуглового рассеяния, что имеет ключевое значение как для установления взаимосвязи между методами получения и функциональными характеристиками этих материалов, а также для развития методологии малоугловых методов анализа микро- и мезоструктуры. Аэрогели являются перспективными твердофазными материалами, и принципиальной особенностью их структуры является крайне высокая пористость, обеспечивающая необычные физико-химические свойства аэрогелей: крайне низкую плотность, развитую поверхность, низкую теплопроводность. Указанные свойства делают возможным использование материалов на основе аэрогелей в качестве высокоэффективных тепло-, звуко- и электроизоляторов, компонентов каталитических систем, сверхлегких конструкционных материалов, сорбентов, средств адресной доставки лекарств, суперконденсаторов и т.д. Дополнительным преимуществом аэрогелей является возможность сочетания их уникальных свойств с высокой оптической прозрачностью, люминесцентными или гидрофобными свойствами, электропроводностью. Таким образом, комплекс присущих аэрогелям физико-химических свойств обеспечивает возможность их использования в качестве полифункциональных материалов с широкими возможностями практического применения, что определяет высокую актуальность решаемых в проекте задач. Научная новизна предлагаемого проекта определяется двумя факторами – новизной предлагаемого подхода к совместному анализу данных малоуглового и ультрамалоуглового рассеяния нейтронов и малоуглового рассеяния рентгеновского излучения с целью всестороннего описания их микро- и мезоструктуры и разработкой методов получения новых ультралегких материалов на основе аэрогелей и управления их структурой и структурно-чувствительными свойствами. Достижение цели проекта подразумевает решение ряда задач, имеющих самостоятельное практическое и фундаментальное значение, а именно: • Разработка методов синтеза резорцин-формальдегидных аэрогелей (РФ-АГ) с существенно различающимися структурными характеристиками за счет использования различных режимов гелирования, а также последующий их перевод в углеродные аэрогели (С-АГ) методом термического отжига в инертной атмосфере; • Получение ряда гибридных органо-неорганических аэрогелей, поверхность которых модифицирована ацильными или алкильными группами для придания им гидрофобных свойств. • Создание гибридных аэрогелей, модифицированных кластерными соединениями бора, например содержащими клозо-декаборатные или клозо-додекаборатные группы. Такие материалы являются перспективными элементами облегченных конструкций для защиты от нейтронного излучения (например, для предотвращения активации нейтронами натрия, находящегося в системах теплообмена), а также компонентами новых препаратов для нейтронзахватной терапии. Главным преимуществом защитных материалов на основе аэрогелей является их низкая плотность, высокая открытая пористость, препятствующая возникновению в материале при взаимодействии с нейтронным излучением механических напряжений и обеспечивающая возможность долговременной эксплуатации. • Анализ влияния условий получения аэрогелей (в первую очередь, температуры проведения сверхкритической сушки и типа сверхкритического флюида) на структуру получаемых материалов. Решение указанной задачи включает в себя использование впервые предложенного нами ранее подхода к синтезу аэрогелей, основанного на их сушке при температурах несколько ниже критической. Предварительные эксперименты показали, что в таких условиях сохраняется возможность получения монолитных материалов, обладающих при этом улучшенными текстурными характеристиками (удельной площадью поверхности и пористостью) по сравнению с аэрогелями, получаемыми традиционным методом сверхкритической сушки; • Сравнительный анализ структурной информации, получаемой методами малоуглового рассеяния рентгеновского и нейтронного излучения, с целью установления границ применимости указанных методов к анализу структуры аэрогелей различной химической природы в различных масштабных диапазонах. Решение указанной задачи имеет ключевое значение для развития методологии анализа структуры материалов на основе аэрогелей, а также для развития Объекта Инфраструктуры; • Сравнительный анализ структурных данных, получаемых с использованием методов малоуглового рассеяния и традиционных материаловедческих методов, в первую очередь электронной микроскопии высокого разрешения и низкотемпературной адсорбции азота (с использованием моделей Ленгмюра, Брунауэра-Эммета-Теллера и Баррета-Джойнера-Халенды), с целью получения наиболее полной информации о микро- и мезоструктуре объектов исследования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лермонтов С.А., Баранчиков А.Е., Сипягина Н.А., Малкова А.Н., Копица Г.П., Ёров Х.Э., Иванова О.С., Лен А., Иванов В.К. Критична ли сверхкритическая? О выборе температуры сушки для синтеза аэрогелей SiO2 Журнал неорганической химии, Т.64. №2. (год публикации - 2020)
10.1134/S0044457X20020087

2. Малкова А.Н., Сипягина Н.А., Гожикова И.О., Добровольский Ю.А., Конев Д.В., Баранчиков А.Е., Иванова О.С., Укше А.Е., Лермонтов С.А. Electrochemical properties of carbon aerogel electrodes: dependence on synthesis temperature Molecules, V.24. 3847 (год публикации - 2019)
10.3390/molecules24213847

3. Ёров Х.Э.,Колесник И.В., Романова И.П., Мамаева Ю.Б., Сипягина Н.А., Лермонтов С.А., Копица Г.П., Баранчиков А.Е., Иванов В.К. Tuning SiO2–TiO2 binary aerogels for sun protection and cosmetic applications The Journal of Supercritical Fluids, 105099 (год публикации - 2021)
10.1016/j.supflu.2020.105099

4. Козлова Т.О., Баранчиков А.Е., Козлов Д.А., Гавриков А.В., Копица Г.П., Япрынцев А.Д., Устинович К.Б., Шенньевьер А., Иванов В.К. 1D ceric hydrogen phosphate aerogels: noncarbonaceous ultra-flyweight monolithic aerogels ACS Omega, V.5(28). P.17592–17600 (год публикации - 2020)
10.1021/acsomega.0c02061

5. Котцов С.Ю., Баранчиков А.Е. Получение аэрогелеподобных материалов путем окислительного пиролиза композитов фотополимер / лиогель SiO2 II Научно-техническая конференция «Материалы с заданными свойствами на переходе к новому технологическому укладу: Химические технологии», С.44 (год публикации - 2020)

6. Азарова Л.А., Копица Г.П., Горшкова Е.Ю., Лермонтов С.А., Малкова А.Н., Волков В.В., Баранчиков А.Е. Novel resorcinol-formaldehyde aerogels: synthesis, structure and fractal properties International Conference "Condensed Matter Research at IBR-2", P.117–118 (год публикации - 2020)

7. Баранчиков А.Е. Small-angle neutron scattering for the structure of aerogel-based materials International Conference "Condensed Matter Research at IBR-2", Invited plenary lecture (10:00–10:30 October, 15 2020) (год публикации - 2020)
10.13140/RG.2.2.16034.45760

8. Павлова А.А., Лермонтов С.А., Малкова А.Н., Горшкова Ю.Е., Волков В.В., Баранчиков А.Е., Копица Г.П. Novel resorcinol-formaldehyde aerogels: synthesis, structure and fractal properties Конференция по использованию рассеяния нейтронов в исследовании конденсированных сред (РНИКС-2021), С.114. (год публикации - 2021)

9. Лермонтов С.А., Малкова А.Н., Сипягина Н.А., Баранчиков А.Е., Копица Г.П., Беспалов А.С. Hydrophobization of organic resorcinol-formaldehyde aerogels by fluoroacylation Journal of Fluorine Chemistry, V.244. 109742. (год публикации - 2021)
10.1016/j.jfluchem.2021.109742

10. Баранчиков А.Е., Копица Г.П., Ёров Х.Э., Сипягина Н.А., Лермонтов С.А., Павлова А.А., Котцов С.Ю., Гарамус В.М., Рюхтин В., Иванов В.К. Бинарные аэрогели на основе SiO2-TiO2: анализ структуры методами малоуглового раcсеяния Журнал неорганической химии, Т.66. №6. С.774–784. (год публикации - 2021)
10.1134/S003602362106005X

11. Лермонтов C.A., Малкова А.Н., Колмакова А.А., Сипягина Н.А., Котцов С.Ю., Баранчиков А.Е., Иванова О.С., Каплан М.А., Баикин А.С., Колмаков А.Г., Иванов В.К. Сравнительный анализ супергидрофобных эластичных полиметилсилсесквиоксановых аэрогелей, полученных при атмосферном давлении и в сверхкритических условиях Деформация и разрушение материалов, №8. С.15–22. (год публикации - 2022)
10.1134/S0036029522100378

12. Сипягина Н.А., Малкова А.Н., Страумал Е.А., Юркова Л.Л., Баранчиков А.Е., Иванов В.К., Лермонтов С.А. Novel aminophosphonate ligand for the preparation of catalytically active silica aerogels with finely dispersed palladium Journal of Porous Materials, DOI: 10.1007/s10934-022-01357-4 (год публикации - 2022)
10.1007/s10934-022-01357-4

13. Лермонтов С.А., Малкова А.Н., Колмакова А.А., Сипягина Н.А., Баранчиков А.Е., Каплан М.А., Баикин А.С., Колмаков А.Г., Копица Г.П., Иванова О.С, Горшкова Ю.Е., Иванов В.К. The dramatic influence of gelation solvent choice on the structure and mechanical properties of resorcinol-formaldehyde aerogels Journal of Porous Materials, DOI: 10.1007/s10934-022-01365-4 (год публикации - 2022)
10.1007/s10934-022-01365-4

14. Ёров Х.Э., Жданов А.П., Камилов Р.Х., Баранчиков А.Е., Копица Г.П., Покровский О.И., Попов А.Л., Иванова О.С., Алмаши Л., Колягин Ю.Г., Жижин К.Ю., Иванов В.К. Covalently-Immobilized to Hybrid SiO2 Aerogels for Slow Neutron Shielding Applications ACS Applied Nano Materials, V.5(8). P. 11529–11538. (год публикации - 2022)
10.1021/acsanm.2c02550

Публикации