Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0012

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0012
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"
Название доклада
Ионные жидкости как реакционные среды для получения новых поверхностных наноструктур в электрохимических процессах
Докладчик
Кустов Леонид Модестович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели:
1. Исследование ионных жидкостей, как реакционных сред и электролитов для получения проводящих полимеров и поверхностных наноструктур в электрохимических процессах полимеризации ароматических и гетероароматических соединений, электрополировки металлов, электроосаждения ряда трудноосаждаемых металлов на поверхности электропроводящих материалов (металлы, углеродные материалы и проводящие полимеры), создания наноструктур на поверхности электропроводящих материалов путем самоорганизации и самосборки при нанесении из ионных жидкостей.
2. Исследование каталитических свойств полученных металлических структурированных катализаторов в конверсии метана в синтез-газ.
Задачи:
1. Изучение ионных жидкостей в качестве электролитов для электрополирования и электроосаждения
металлов (Cu, W, Ni, Nb, Ta, Ti, Zr, Re) различной степени дисперсности, в том числе частиц и слоев
наноразмеров.
2. Получение и исследование новых поверхностных наноразмерных металлических и оксидных кластерно-
фрактальных образований.
3. Изучение влияния роли различных факторов (условия процесса, природа прекурсоров, присутствие воды и других агентов в гидрофобных ионных жидкостях) на протекание вышеуказанных процессов.
4. Получение нанопроволок проводящих полимеров в условиях электрохимической полимеризации
ароматических и гетероароматических субстратов в ионных жидкостях.
5. Исследование каталитических свойств полученных металлических структурированных катализаторов в
конверсии метана в синтез-газ
Актуальность и новизна исследования
Получение наноразмерных покрытий и организованных наноструктур на поверхности твердых подложек
представляет собой высоко актуальную задачу, связанную с новыми композиционными материалами
практически для всех отраслей промышленности. Разработка новых методов получения разнообразных материалов такого рода позволит достигнуть нового, более высокого уровня развития науки и создавать принципиально новые материалы для новых применений, таким образом, научная значимость решения этой проблемы весьма высока.
ИЖ благодаря высокой полярности и способности растворять органические и неорганические соединения
различных классов являются чрезвычайно перспективной средой для получения новых материалов,
обладающих уникальными свойствами, в том числе компонентов устройств для хранения энергии,
наноразмерных антикоррозионных покрытий, материалов для электроники. Кроме того, обладая высокой
электропроводностью, ИЖ имеют значительный потенциал для проведения электрохимических процессов.
Переработка природного газа и попутных нефтяных газов в жидкие топлива или синтетическую нефть -
также весьма актуальное направление. Для получения синтез-газа из метана используется энергоемкий
процесс паровой конверсии метана. Парциальное окисление метана - экзотермический процесс и
разработка катализаторов для этого процесса позволит не только снизить энергопотребление, но и
улучшить экологические параметры процесса. Наиболее эффективны в этом процессе структурированные катализаторы на металлических носителях (фольга, сплавные металлические волокна), модифицированных небольшими добавками благородных или переходных металлов.
Описание исследования

Электрохимические методы, как правило, более экономичны и практичны в сравнении с многими другими методами сборки наноструктур на поверхности твердого тела (эпитаксия, использование плазмы, электронных и нейтронных пучков, высоковакуумной техники). Перспективным подходом к решению
проблемы электрохимического получения новых наноматериалов является применение ионных жидкостей (ИЖ). Эти соединения прочно вошли в арсенал средств современной «зеленой» химии благодаря полезным физико-химическим свойствам (негорючесть, низкое давление паров, возможность регенерации и др.) и связанной с этим способности улучшать экологические характеристики процессов. Сведения о применении ИЖ для получения функциональных материалов, в частности, (1) электропроводящих полимеров, (2)
наноразмерных покрытий на поверхности металлов, углеродных подложек и полимеров, (3) наноразмерных структур (нанонити, нанотрубки, ячейки Бенара) на поверхности проводящих материалов весьма ограничены

Проект направлен на исследование ионных жидкостей, как реакционных сред и электролитов для получения проводящих полимеров и поверхностных наноструктур в электрохимических процессах полимеризации ароматических и гетероароматических соединений, электрополировки металлов,
электроосаждения ряда трудноосаждаемых металлов на поверхности электропроводящих материалов (металлы, углеродные материалы и проводящие полимеры), создания наноструктур на поверхности электропроводящих материалов путем самоорганизации и самосборки при нанесении из ионных
жидкостей.

Ранее полученные нами данные позволяют ожидать, что будет достигнута высокая эффективность в указанных процессах (электрополировка, электроосаждение металлов, получение наноструктур на поверхности металлов и проводящих полимеров). Выбор ионной жидкости имеет решающее значение, в первую очередь подбор аниона. Также предварительные исследования показали, что структурированные металлические катализаторы на основе нержавеющей стали и фехраля весьма активны в парциальном окислении метана в синтез-газ, даже без нанесения благородных металлов.

Участниками научной группы в рамках контрактов, прикладных и фундаментальных исследований был синтезирован широкий круг ИЖ (более 70 типов), нашедших применение в различных областях: органической химии, электрохимии, катализе, физической химии (аналитическая и препаративная
экстракция).
Были разработаны методы синтеза и очистки, позволяющие получать высокочистые ИЖ (>99%), в частности, для проведения электрохимических исследований. Разработаны методики характеризации ионных жидкостей и материалов, получаемых с использованием ионных жидкостей с помощью физико-химических методов (СЭМ, РФЭС, ИКС, ДСК, ДТА, ТГА, ЯМР) и измерения их физических параметров (вязкость, теплоемкость, температуры плавления и разложения, испаряемость и др.).
Перспективной областью применения ИЖ является получение новых материалов, в том числе наноматериалов. В их среде нам удалось осуществить электроосаждение наноразмерных покрытий, результатом чего явилось электрохимическое полирование поверхностей металлов (платины,
нержавеющей стали, титана, меди, никеля). Впервые периодически упорядоченная структура (ячейки Бенара) получена при полировке аустенитной нержавеющей стали в [bmim]NTf2 и [bmim]Cl (bmim – бутил-
метилимидазолий, NTf2 - бистрифлимид) в мягких условиях при комнатной температуре. На начальных стадиях полировки образуется структура, аналогичная «акульей коже», подобные материалы чрезвычайно
востребованы современной техникой. В условиях электрохимического полирования получены наноразмерные структуры, содержащие нанотрубки TiO2 на поверхности металлического титана.

Новые методы синтеза, которые будут разработаны в рамках проекта, позволят приблизиться к решению проблемы получения нано-размерных электронных проводников. Предварительные исследования, выполненные нами, указывают на особые свойства электролитов – ионных жидкостей, позволяющих
получать новые наноматериалы на основе металл-оксидных поверхностных кластеров. Имеющиеся у коллектива данные позволяют разработать методы получения нанодисперсных осадков металлов, обладающих высокой реакционной способностью и каталитической активностью.

Результаты исследования

Исследованы ионные жидкости, как реакционные среды и электролиты для получения проводящих полимеров и поверхностных наноструктур в электрохимических процессах полимеризации ароматических и гетероароматических соединений, электрополировки металлов, электроосаждения ряда трудноосаждаемых металлов на поверхности электропроводящих материалов, создания наноструктур на поверхности
электропроводящих материалов путем самоорганизации и самосборки при нанесении из ионных жидкостей.
Осуществлен целенаправленный синтез и подбор ионных жидкостей для указанных выше процессов, в частности, для получения нанопроволок проводящих полимеров путем электрополимеризации бензола, бифенила, нафталина, пиридина, пиррола и др. соединений на поверхности электродов различной природы, электроосаждения металлов (Cu, W, Ni, Ti, Zr, Re) на металлах, углероде или проводящих полимерах, получения нано-организованных структур (ячейки Бенара, нанонити, нанотрубки) в процессе
электроосаждения металлов на различных поверхностях и электрополировки металлов.
Полученные металлические структурированные катализаторы оптимизированы в процессе конверсии метана в синтез-газ.
Разработаны методы электрохимического модифицирования, электроосаждения и полирования поверхностей металлов, получения проводящих полимеров, наноструктур различных размеров и формы (ячейки, нанотрубки) на поверхности металлов и приготовления наноразмерных катализаторов
парциального окисления метана в синтез-газ.
Разработанные методы применены для получения проводящих полимеров и наноструктур различных размеров и формы (ячейки, нанотрубки) на поверхности металлов (Ni, Cu, Fe, Ag, Ti, Zr, Au, Pt) , в частности, с использованием (1) СВЧ-активации для мягкого разложения прекурсоров и восстановления металлов, (2) ионных жидкостей для электрохимических процессов.
Приготовлены проводящие полимеры на основе следующих мономеров: бензол, бифенил, нафталин, терфенил, анилин, имидазол, пиридин, пиррол, пирролидин, тиофен.
Проведена детальная характеризация наноматериалов на основе проводящих полимеров и модифицированных металлов методами электронной микроскопии (SEM, TEM, EDS-SEM), высокоинформативными спектральными методами.
Разработаны и протестированы в каталитической реакции парциального окисления метана в синтез-газ высокоэффективные, селективные и рециклизуемые нанокатализаторы на основе структурированных
металлических носителей.
Разработан высокоэффективный прототип промышленного катализатора парциального окисления метана в синтез-газ, не содержащий благородных металлов или содержащий экстремально низкое количество критических металлов (менее 0.1%) и проведена его оценка для применения в процессе
парциального окисления метана в синтез-газ.

Практическая значимость исследования
Разработанные подходы и ионные жидкости, в том числе, комплексы органических четвертичных солей и галоидов металлов, могут быть эффективно использованы в органическом синтезе и катализе в качестве растворителей, электролитов и каталитических сред.
Результаты настоящего исследования представляют интерес для материаловедения. Полученные и охарактеризованные в ходе работы материалы, обладающие весьма нетипичным комплексом свойств, могут быть использованы в приборостроении и иных отраслях техники. Особенно перспективными представляются следующие направления использования ионных жидкостей в качестве электролитов:
• Электроокисление и электровосстановление органических и неорганических соединений.
• Электроосаждение, очистка и полирование металлов, в том числе металлов, которые невозможно нанести из водных растворов в силу их высокого потенциала осаждения (Nb, Ta, W, Zr, Mo, Ti и др.).
Разработанные катализаторы и процессы могут быть использованы как прототипы промышленных катализаторов конверсии метана в синтез газ. По результатам проекта будут подготовлены коммерческие предложения для компаний, использующих катализаторы для процессов конверсии метана, в том числе, Роснефть, Лукойл, ENI, Snamprogetti.
Постер

Poster_IN-4708562.ppt