Композиты и гетероструктуры на основе BN для высоэффективных фотокатализаторов и фотодетекторов

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 21-49-00039

НазваниеКомпозиты и гетероструктуры на основе BN для высоэффективных фотокатализаторов и фотодетекторов

Руководитель Штанский Дмитрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые слова 2D наноструктуры, гетероструктуры, гексагональный BN, ферригидрит, дихалькогениды переходных металлов, фталоцианины металлов, фотокатализаторы, фотоприемники

Код ГРНТИ61.31.55

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблема утилизации углекислого газа и очистки сточных вод от вредных и токсичных примесей имеет высокую актуальность и научную значимость. Постоянное и нарастающее загрязнение окружающей среды (атмосферы и водных ресурсов) выбросами антропогенного характера является проблемой планетарного масштаба. Промышленные выбросы CO2 приводят к появлению парникового эффекта и глобальному потеплению, которое может стать катастрофой для всего человечества. Кроме того, активная человеческая жизнедеятельность, включая использование фармацевтических препаратов, средств личной гигиены и сельскохозяйственных удобрений, приводит к появлению новых загрязнителей, которые сложно удалить с помощью доступных в настоящее время технологий. В связи с быстрой индустриализацией, все большее количество сточных вод содержит органические загрязнители и тяжелые металлы. Зачастую высокая химическая стабильность этих соединений затрудняет их деградацию с помощью традиционных методов очистки воды. Для решение этих глобальных научных и технологических вызовов необходима разработка технологий очистки атмосферных выбросов и сточных вод от вредных и токсичных примесей. В последнее время наблюдается существенный прогресс в области создания высокопроизводительных фотоприемников, работающих в среднем диапазоне ультрафиолетового излучения. Основной сферой применения таких детекторов являются системы обнаружения пламени, детекторы химических/биологических веществ, системы обнаружения следов ракет, мониторинг озонового слоя, а также системы для коммуникации спутников, подводных лодок и т. п. Основной целью международного научного проекта является разработка перспективных наноматериалов на основе гексагонального нитрида бора для фотокатализаторов (российский научный коллектив) и фотодетекторов (зарубежный научный коллектив). Общность обоих направлений связана с тем что, интенсивность фототока (важнейшая характеристика фотодетекторов), как правило, определяется эффективностью образования и разделения фотозарядов, что, в свою очередь, соответствует более высокой фотокаталитической активности. Поэтому исследования гибридных наноматериалов в качестве фотокатализаторов и фотодетекторов являются взаимодополняющими. Кроме того, реализация настоящего проекта позволит не только расширить компетенции каждого научного коллектива за счет получения новых знаний в области фотокатализа и фотодетекторов, но и выявить наиболее перспективные области применения для каждого типа разработанных гетероструктур. В первый год выполнения проекта российским научным коллективом будут исследованы индивидуальные материалы, составляющие гетеропереход. В качестве широкозонного полупроводника будет исследован двумерный нитрид бора, допированный углеродом (2D h-BNC). Будет изучено влияние углерода на его электронные свойства: ширину запрещенной зоны, спектральную чувствительность, концентрацию фотоиндуцированных носителей и их подвижность. Также будет изучено влияние концентрации углерода и методов синтеза h-BNC на структуру: периоды кристаллической решетки и дефектность. В качестве узкозонных полупроводников будут изучены MoS2, WS2 и ферригидрит. Эти материалы будут синтезированы в виде двумерных наноструктур и также будут исследованы их электронные свойства и структурные характеристики в зависимости от методов или условий синтеза. Будет выполнено теоретическое моделирование электронной структуры этих двумерных наноматериалов с использованием методов теории функционала плотности. Во второй год будет синтезирован ряд фталоцианиновых комплексов переходных металлов (Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn) и разработана методика их нанесения на 2D наноструктуры: h-BNC, MoS2, WS2 и ферригидрит. Будут изучены фотопроводимость и спектральная чувствительность полученных материалов в зависимости от переходного металла фталоцианинового комплекса и толщины фталоцианина. Будут исследованы фотокаталитические свойства этих материалов в реакциях восстановления СО2 и окисления органических соединений и определены наиболее активные фталоцианины. Будет выполнено теоретическое моделирование электронной структуры двумерных наноматериалов, модифицированных фталоцианиновыми комплексами, с использованием методов теории функционала плотности. В третий год будут синтезированы двумерные гетеропереходы: MoS2/h-BNC, WS2/ h-BNC, ферригидрит/h-BNC с оптимальной зонной структурой. Гетеропереходы будут синтезированы суспензионным методом. Для каждого гетероперехода будут получены h-BNC наноструктуры с определенной концентрацией углерода, для согласования его ширины запрещенной зоны с шириной зоны узкозонного полупроводника (MoS2, WS2, ферригидрит). Будет изучено состояние границы гетеропереходов, в частности деформация (напряжение), в результате рассогласования периодов их кристаллической решетки. Будут изучены фотокаталитические свойства этих материалов в реакциях восстановления СО2 и окисления различных органических соединений. Гетеропереходы, показавшие наилучшие фотокаталитические свойства, будут дополнительно сенсибилизированы наиболее активными фталоцианинами, определенными на втором этапе проекта и будут изучены их фотокаталитические свойства. Методами теоретического моделирования будут определены зонные структуры синтезированных гетеропереходов. Будет проведен анализ полученных результатов и определены параметры гетеропереходов, позволяющие получить наибольшую эффективность фотокаталитических процессов. Научная новизна предполагаемого исследования состоит в научно-обоснованном дизайне новых типов гетероструктур, способных обеспечить высокоэффективное фотокаталитическое восстановления углекислого газа и окисление устойчивых органических примесей в водных растворах. Реализация проекта подразумевает постановку и решение российским научным коллективом ряда новых научных задач: 1. Впервые будет изучено влияние состава двух- и трехкомпонентных гетероструктур на основе широкозонного гексагонального нитрида бора, допированного углеродом (BNCx), узкозонных дисульфидов молибдена и/или вольфрама и ферригидрита со средним значением ширины запрещённой зоны на их структурные, физико-химические и оптические характеристики, а также на их фотокаталитическую активность в реакциях восстановления углекислого газа и окисления устойчивых органических соединений. 2. Впервые будет изучено влияние нанесения фталоцианиновых комплексов переходных металлов на поверхность двумерных наночастиц допированного углеродом гексагонального нитрида бора, дисульфидов молибдена и вольфрама, ферригидрита на их структурные, физико-химические и оптические характеристики, а также на их фотокаталитическую активность в реакциях восстановления углекислого газа и окисления устойчивых органических соединений. 3. Впервые будут созданы композиционные наноматериалы в системах MoS2/h-BNC, WS2/h-BNC, ферригидрит/h-BNC, составные части которых отличаются шириной запрещённой зоны, что позволит обеспечить высокие фотокаталитические характеристики в широком диапазоне длин волн видимого света. Использование фталоцианиновых комплексов для фотосенсибилизации полупроводниковых материалов позволит дополнительно увеличить эффективность аккумулирования световой энергии. Для синтезированных материалов впервые будет определена ширина запрещённой зоны. 4. Впервые будет проведено теоретическое моделирование электронной структуры гибридных систем на основе фталоцианиновых комплексов переходных металлов, BCNx, MoS2, WS2 и ферригидрита, а также гетероструктур из данных двумерных наноструктур, их взаимодействия между собой и с компонентами фотокаталитических реакций, а также экспериментальная верификация моделей. Зарубежным научным коллективом будут синтезированы различные типы гетероструктур типа полупроводник/полупроводник (ПП/ПП), ПП/благородные металлы, ПП/графен, графен/h-BN/ПП, металлы/h-BN/ПП. Будет изучено влияние различных параметров синтеза на морфологию, структуру и химический состав поверхности раздела композитов и гетероструктур на основе BN. Будут созданы микро- и наноструктуры типа «ядро-оболочка»Ю а также коаксиальные структуры. Структурные характеристики новых материалов будут регулироваться путем варьирования параметров процесса их получения (температуры, давления и атмосферы). Будут определены каталитические и фотоэлектрические свойства, а также электрические характеристики композитов и гетероструктур на основе BN. Будут изучены структура границ раздела и свойств поверхности синтезированных материалов. Изменения состояния поверхности/интерфейса до и после фотокатализа, а также в результате фотоэлектрического преобразования, будут изучаться с использованием in-situ просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Будут определены типы, концентрация и распределение дефектных состояний с использованием методов фотолюминесцентной спектроскопии и катодолюминесцентной спектроскопии. С помощью методов теоретического моделирования будет изучена зонная структура и поведения носителей на границе интерфейсов. Будет выполнена оптимизация фотокаталитической активности и свойств фотоприемников, определены механизмы катализа и фотодетектирования. Будет выявлены роль h-BN в фотокатализаторах и оптоэлектрических преобразователях и обобщены механизмы катализа и фотодетектирования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Х. Лю, С. Ли, З. Ли, И. Чанг, В. Янг, З. Ли, Х. Лю, Д.В. Штанский, Х. Фан Boosted Responsivity and Tunable Spectral Response in B-Site Substituted 2D Ca2Nb3−xTaxO10 Perovskite Photodetectors Advanced Functional Materials, 2021, 2101480 (год публикации - 2021)
10.1002/adfm.202101480

2. А.Т. Матвеев, А.С. Конопацкий, Д.В. Лейбо, И.Н. Новиков, А.М. Ковальский, Л.А. Варламова, П.Б. Сорокин, Х. Фан, С.А. Кулинич, Д.В. Штанский Amorphous MoSxOy/h-BNxOy Nanohybrids: Synthesis and Dye Photodegradation Nanomaterials, 11(12) (2021) 3232 (год публикации - 2021)
10.3390/nano11123232

3. Конопацкий А.С. РАЗРАБОТКА ГЕТЕРОГЕННЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЫШЕННЫМИ АДСОРБЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ Материалы XVIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», Материалы XVIII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов», Москва, ИМЕТ РАН, 30-нлября - 3 декабря 2021 г. (год публикации - 2021)

4. Васильева А.А., Лейбо Д.В. Влияние механической активации гексагонального нитрида бора на фотокаталитическую активность в реакции окисления фенола в водных растворах Современные твердофазные технологии: теория, практика, и инновационный менеджмент, Материалы XIII Международной научно-инновационной молодежной конференции "Современные твердофазные технологии: теория, практика, и инновационный менеджмент", 2021, стр. 115-117 (год публикации - 2021)

5. Д.В. Лейбо, А.С. Конопацкий, X. Фан, Д.В. Штанский Photocatalytic phenol oxidation over ball milled hexagonal boron nitride Journal of Water Process Engineering, 51, 103367 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jwpe.2022.103367

6. Конопацкий, В.В. Калинина, Д.В. Барилюк, Д.В. Лейбо, А.Т. Матвеев, X. Фан, Д.В. Штанский Carbothermal-reduction-assisted CVD synthesis of layered MoS2 nanosheets on activated carbon support: implication for photocatalysis J. Alloys Compd., 934,167867 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2022.167867

7. В. Матвеев, Л.А. Варламова, А.С. Конопацкий, Д.В. Лейбо, И.Н. Волков, П.Б. Сорокин, X. Фан, Д.В. Штанский A new insight into the mechanisms underlying discoloration, sorption and photodegradation of methylene blue solutions with and without BNOx nanocatalyst Materials, 15, 8169 (год публикации - 2022)
10.3390/ma15228169

8. Ф. Као, Л. Су, Т. Ян, З. Ли, Д.В. Штанский, Х. Фан Pine-branch-like SnO2/ZnO heterostructure with suppressed dark current and enhanced on/off ratio for visible-blind UV imaging Advanced Electronic Materials, 8, 2101373 (год публикации - 2022)
10.1002/aelm.202101373

9. Х. Лию, С. Ли, З. Ли, Ф. Као, Д.В. Штанский, Х. Фан Enhanced response speed in 2D perovskite oxides-based photodetectors for UV imaging through surface/interface carrier-transport modulation ACS Appl. Mater. Interfaces, 14, 48936−48947 (год публикации - 2022)
10.1021/acsami.2c15946

10. Волков И.Н., Матвеев А.Т., Ковальский А.М., Конопацкий А.С., Лейбо Д.В., Варламова Л.А., Сорокин П.Б., Штанский Д.В. ГЕТЕРОСТРУТКУРЫ A-MOSXOY/H-BNXOY: СИНТЕЗ И КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА EurasiaScience, 2022, 51-52 (год публикации - 2022)

11. Конопацкий А.С., Калинина В.В., Барилюк Д.В., Штанский Д.В. CVD СИНТЕЗ СЛОИСТОГО MOS2 НА ОСНОВЕ ОКСИДА МОЛИБДЕНА (VI) С ПРИМЕНЕНИЕМ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЯ В КАЧЕСТВЕ ПОДЛОЖКИ EurasiaScience, 2022, 56-57 (год публикации - 2022)

12. Штанский Д.В. ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСТРУКТУР ГЕКСАГОНАЛЬНОГО BN И ГИБРИДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ XII Международная конференция "Фазовые превращения и прочность кристаллов", 2022, 118 (год публикации - 2022)

13. Калинина В.В., Конопацкий А.С., Барилюк Д.В., Штанский Д.В. Исследование влияния температуры синтеза на формирование структуры MoS2 на поверхности активированного угля Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2022, 2022, 530-531 (год публикации - 2022)

14. Лью, Су, Чанг, Штанский, Фан Photoelectric-ferroelectric hybrid system for photodetection Small methods, 2023, 2300319 (год публикации - 2023)
10.1002/smtd.202300319

15. А.А. Рыжова, А.С. Конопацкий, Д.В. Штанский CVD-синтез гетерогенных наноструктурных фотокатализаторов на основе дисульфида молибдена и активированного угля Тезисы докладов XX Международной научной конференции молодых ученых, Минск, Сборник тезисов докладов, Минск, Белорусская наука, 2023, стр. 774-775 (год публикации - 2023)

16. Калинина В.В., Конопацкий А.С., Барилюк Д.В., Штанский Д.В. Карботермическое восстановление оксида молибдена (VI) на поверхности активированного угля Сборник докладов ФТИ-2023, Издательство АМБ, Сборник докладов ФТИ-2023, Издательство АМБ, стр. 643-644 (год публикации - 2023)

17. Д.В. Штанский, А.Т. Матвеев, Е.С. Пермякова, Д.В. Лейбо, А.С. Конопацкий, П.Б. Сорокин Recent progress in fabrication and application of BN nanostructures and BN-based nanohybrids Nanomaterials, 12, 2810 (год публикации - 2022)
10.3390/nano12162810

18. Грициенко, А.Т. Матвеев, Г.Р. Восканян, Н.С. Курочкин, Д. Щербаков, С.П. Елисеев, Д.В. Штанский, А.Г. Витухновский Photocontrol of single-photon generation in boron nitride nanoparticles synthesized by ammonothermal crystallization ACS Applied Nano Materials, 5, 10462−10470 (год публикации - 2022)
10.1021/acsanm.2c01815

Публикации