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 21-73-00267
НазваниеНаправленный синтез металлооксидных аэрогелей путем контроля за внутренними и внешними факторами золь-гель процесса
Руководитель Страумал Елена Андреевна, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук , Московская обл
Конкурс №60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 металооксидные аэрогели, золь-гель синтез, микроструктура
Код ГРНТИ31.17.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Аэрогели являются уникальным классом твердых высокопористых наноматериалов. Они сочетают в себе целый ряд разнообразных свойств, таких как высокая удельная поверхность, высокая пористость (в основном за счет наличия микро- и мезопор), низкая теплопроводность, высокая сорбционная способность и т.д. Наличие таких свойств обусловлено особым строением аэрогелей. Твердотельный каркас аэрогеля представляет собой открытую 3D-сеть, образованную связанными между собой наночастицами. Благодаря сочетанию необычных химических и текстурных характеристик аэрогели считаются перспективными для различных применений, таких как, например, сорбция, звуко- и теплоизоляция, каталитические системы, системы для доставки лекарственных средств, системы хранения энергии, и даже материалы для улавливания космической пыли.
Каждая отрасль возможного применения предъявляет свои требования к свойствам и структуре материалов. Эти требования могут включать в себя значения площади удельной поверхности, степень кристалличности и фазовый состав, размер и форма частиц, коэффициент светопропускания, термическая устойчивость и т.д.
Однако современное состояние научных исследований не предлагает подходов к синтезу аэрогелей с заранее заданными характеристиками.
Таким образом, очевидно, что разработка фундаментальных методов контролируемого направленного синтеза аэрогелей – главная цель предлагаемого проекта – является актуальной научной задачей.
Синтез аэрогелей представляет собой многоступенчатый процесс, включающий в себя получение мокрого геля методом золь-гель синтеза, а также обязательную сверхкритическую сушку для удаления жидкости из пор геля без разрушающего влияния капиллярных сил.
Научная новизна проекта заключается в принципиально новом, комплексном междисциплинарном подходе к изучению связи между условиями синтеза материала и его свойствами. Впервые предлагается изучить вклад каждой из стадий синтеза аэрогеля (начиная от выбора прекурсора и растворителя и их концентраций в растворе, до влияния внешних факторов, таких как, например, магнитное поле) на его структуру и свойства (удельная площадь поверхности, скелетная плотность и т.д.).
В рамках выполнения работы предлагается определить зависимость структуры и свойств получаемых аэрогелей от следующих факторов:
1. Химический состав исходной соли металла.
2. Влияние химической природы и свойств растворителя, использованного на этапе формирования золя (сольватирующие и хелатирующие свойства), на строение сольватной оболочки катиона металла и свойства получаемых впоследствии аэрогелей.
3. Концентрации исходных веществ в золе.
4. Влияние внешнего магнитного поля на формирование гелей на основе оксидов железа и структуру получаемых аэрогелей.
В качестве объектов исследования выбраны металлооксидные аэрогели на основе оксидов металлов, которые представляют наибольший интерес с точки зрения современной науки и наукоемкой промышленности, а именно:
1. Оксид алюминия является с одной стороны, перспективным носителем для катализаторов различных химических процессов. С другой стороны, керамики на основе оксида алюминия являются широко известными высокотемпературными теплоизоляторами.
2. Оксид хрома (III) применяется как катализатор в различных химических процессах, а также является известными полупроводником p-типа. Кроме того, подробно изучаются магнитные свойства нанодисперсного Cr2O3.
3. Оксиды железа (гематит, магнетит маггемит и другие) представляют собой особый класс наноматериалов. Они являются перспективными для многих областей науки и промышленности благодаря своим уникальным электрическим и магнитным свойствам. Так, например, они могут применяться в качестве газовых сенсоров, на их основе можно создавать феррожидкости (ferrofluid technology). Помимо этого, наноразмерный оксид железа – важный материал для аэрокосмической промышленности.
4. Оксид никеля является крайне интересным объектом как для лабораторного изучения, так и для технологического применения. NiO широко используется в различных химических реакциях, таких как риформинг метана с помощью CO2, окисление сероводорода до серы и некоторых других. Оксид никеля является полупроводником p-типа с широкой запрещенной зоной 4.2 эВ, что позволяет использовать его в качестве чувствительного материала для хеморезистивных или оптических датчиков газа, например, H2, CO и NO2.
5. Оксид цинка является одним из интенсивно исследуемых мультифункциональных материалов благодаря своим уникальным оптическим и электрохимическим свойствам, а также значительной термической стабильности. Было обнаружено, что оксид цинка может найти применение в фотокатализе, пьезоэлектрических материалах, солнечных батареях, а также в качестве антибактериального агента и люминесцентного материала. Оксид цинка является одним из наиболее перспективных материалов с точки зрения применения в качестве газовых сенсоров для детектирования таких газов, как кислород, водород, угарный газ, аммиак, а также широкий круг летучих органических веществ. Оксид цинка при определенных условиях может приобретать ферромагнитые свойства при комнатной температуре и, таким образом, становиться перспективными материалами для спинтронных устройств.
Возможность направленного синтеза пористых наноматериалов на основе данных оксидов - это путь к получению высокоэффективных катализаторов важных промышленных процессов, метод создания высокостойких теплоизоляторов нового поколения, солнечных батарей, высокоэффективных газовых сенсоров.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ