FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь 2019
176 городов
September – November 2019
312 cities
11-13 октября 2019
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
ноябрь-декабрь 2018
МВДЦ «Сибирь»,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры
21-22 сентября 2019 года
22-23 октября 2019 года
29-30 ноября 2019 года
7-8 сентября 2019 года
27-29 сентября 2019 года
4-5 октября 2019 года
10-12 октября 2019 года

Просто добавь азот: ученые улучшили углеродные наноматериалы

Углеродные графитоподобные наноматериалы сегодня востребованы во многих областях, в том числе и в катализе. Однако возникает проблема: по своей природе они очень инертны — не любят ни с чем взаимодействовать, а значит и каталитические реакции с их участием не слишком эффективны. Ученые выяснили: достаточно встроить в структуру углеродных нанотрубок или нановолокон атомы азота (то есть допировать их), чтобы решить этот вопрос.

Возможность подобных манипуляций была предсказана еще во второй половине XX века, но теория опередила практику: экспериментально ученые смогли синтезировать достаточно вещества для исследований и промышленности лишь в XXI столетии.

В лаборатории экологического катализа Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН исследования в этом направлении стартовали в начале 2000-х под руководством члена-корреспондента РАН Зинфера Ришатовича Исмагилова. Ученые встраивали азот в структуру наноматериалов, рассчитывая изменить и улучшить их свойства. Первой задачей было научиться делать это каталитическими методами, а потом — исследовать физико-химические свойства нового материала, определить интересные области его применения. 

— Первые десять лет у нас ушли на то, чтобы создать простые и эффективные способы получения углеродных нановолокон и нанотрубок, допированных азотом, — рассказывает доктор химических наук Ольга Юрьевна Подъячева. — Эти материалы различаются способом упаковки графитовых плоскостей. Отличия в структуре, которые на микроскопических снимках хорошо заметны даже непрофессионалу (например, одна конфигурация похожа на рыбью кость, другая на колоду карт), определяют свойства не только объема, но и поверхности материалов — это важно при их использовании в качестве катализаторов, носителей катализаторов или компонентов новых нанокомпозитов.

Специалисты научились варьировать количество встроенного азота и его соотношение в разных электронных состояниях с помощью изменения параметров каталитического процесса. Ученым было важно понять механизмы роста этих наноматериалов — выяснить, на каком этапе атомы углерода заменяются атомами азота, то есть получается допированная структура. Это оказалось сложной задачей, потому что процесс роста в реакторе происходит очень быстро, почти вулканически. Работая над этой проблемой, сотрудники ИК СО РАН использовали станцию рентгеновской дифрактометрии в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения — так они смогли точно отслеживать изменение состояния катализатора в реальном времени.

Добавление атомов N действительно сильно сказывается на физико-химических свойствах материала: увеличивается его структурная дефектность, изменяются электрическая проводимость и химия поверхности (например, окислительно-восстановительные, гидрофильно-гидрофобные свойства и так далее). Ученые ИК СО РАН провели большой комплекс работ, чтобы выяснить все это: теперь, владея большим багажом фундаментальных знаний, они могут целенаправленно синтезировать материалы с заданными свойствами, то есть адаптировать результаты своих исследований под нужды конкретного производства. А возможностей применения допированных азотом наноматериалов действительно немало.

— Основной наш интерес — использовать новые структуры в качества катализатора либо его носителя, — отмечает Ольга Юрьевна Подъячева. — Второй вариант даже более интересен, ведь азот позволяет материалу лучше взаимодействовать с другими компонентами. Азотные центры способны регулировать размер нанесенных частиц катализаторов, ускорять процесс обмена электронов в системе или участвовать в качестве дополнительного активного центра — это приводит к повышению активности известных катализаторов или меняет маршрут реакции.

Разберем первый случай. Для многих реакций важен размер частиц катализатора: зачастую чем меньше его частицы, тем они активнее. Однако недостаточно просто раздробить вещество до мелких размеров, его еще нужно стабилизировать — с этим отлично справляются допированные азотом углеродные нанотрубки. Если использовать их как носитель катализатора, они не позволят его частицам спекаться — это повышает эффективность процесса. Ученые ИК СО РАН подтвердили, что полученный ими материал может стабилизировать металлические частицы в атомарном состоянии и при высоких температурах. 

Вместе с коллегами из Лимерикского университета (Ирландия) ученые Института катализа изучали активность таких катализаторов в реакции разложения муравьиной кислоты для получения чистого водорода. Эта реакция имеет не только фундаментальное значение (специалистам важно понять зависимость размера частиц катализатора и их активности), но и прикладное. Дело в том, что сегодня много внимания уделяют процессам добычи топлива из так называемых возобновляемых источников сырья, а муравьиную кислоту можно извлекать из биомассы. С помощью катализатора, в котором используют азотосодержащие нановолокна (те самые, напоминающие своей тонкой структурой рыбью кость), специалисты научились селективно добывать из муравьиной кислоты H со следовыми качествами угарного газа. Это очень важное преимущество, ведь в водородных смесях, использующихся для создания топливных элементов, должно быть очень низкое содержание CO. 

В другом исследовании, над которым сейчас успешно работают аспиранты ИК СО РАН Василий Евтушок и Арина Субоч, применяются уже не азотосодержащие нановолокна, а нанотрубки: они отлично показали себя в качестве носителя нового эффективного гетерогенного катализатора для получения прекурсоров витаминов — это важно для биологии, медицины и даже сельского хозяйства.  

В последние годы обнаружилось, что исследуемые материалы сами могут проявлять высокую каталитическую активность во многих важных процессах. Эти так называемые безметаллические катализаторы уже испытаны в синтезе полезных соединений из углекислого газа, в селективном окислении сероводорода и во многих других реакциях. В рамках проекта РНФ с Институтом углехимии и химического материаловедения СО РАН (Кемерово) ученые ИК СО РАН провели цикл исследований по синтезу азотосодержащих углеродных нановолокон и нанотрубок для суперконденсаторов. Молодые специалисты синтезируют материалы с емкостными характеристиками на мировом уровне.

Азотсодержащие углеродные наноматериалы могут быть полезны и для создания новых композитов. В интеграционном проекте вместе с Институтом теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН специалисты Института катализа используют свои материалы как добавку, стремясь получить новые системы на основе жидких кристаллов для гибких устройств фотоники и оптоэлектроники. Суть вот в чем: при определенном электрическом напряжении происходит переориентация жидкого кристалла, и он начинает пропускать свет — благодаря этому работают жидкокристаллические дисплеи или световые затворы. Сегодня стоит задача сделать так, чтобы ориентация кристалла менялась как можно быстрее и при как можно более низком напряжении — именно этому и способствует добавление наноматериалов. Эксперименты показали, что структуры, с которыми работают в ИК СО РАН, позволяют существенно улучшить нужные характеристики. 

Конечно, это далеко не полный список того, как исследователи собираются использовать азотосодержащие углродные наноматериалы — многообразие форм позволяет внедрять их туда, где аналогичные структуры без азота были бы бесполезны. 

 

Источник http://rscf.ru

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Новости Науки

Российские ученые разработали технологию хранения донорского сердца до 24 часов 

Мышиная атлетика

Благодаря уникальному строению скелета, эта землеройка способна выдержать вес взрослого человека.

На Северной Земле установлена аэрозольная станция анализа климатически-опасных загрязнений атмосферы

Антиоксидант SkQ1 оказался сильным антибиотиком

Учёные из Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского (НИИФХБ) МГУ имени М.В.Ломоносова выяснили, что антиоксидант SkQ1, созд

Предать нельзя верить

Что лучше, быть злым и эгоистичным или добрым и щедрым? Оказывается, этот вопрос решают не теологи, философы или специалисты по этике, а математики.