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 18-79-00188

НазваниеИсследование процессов нуклеации слоистых гидроксосоединений РЗЭ и разработка технологии создания ориентированных функциональных покрытий на их основе

РуководительМашковцев Максим Алексеевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2020

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаРЗЭ, Слоистые гидроксиды, Наноразмерные слои, Контролируемая нуклеация, Ионный обмен, Интеркаляция, Люминесценция, Преобразование энергии.

Код ГРНТИ61.31.53

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Слоистые гидроксосоединения РЗЭ (СГРЗЭ) - относительно новый класс анионных неорганических многослойных материалов с общей формулой Me2(OH)6-m[An-n ]m/n ·xH2O, где: Ме – редкоземельный катион (III+), An – анион(I-, II-), 1≤m≤2. СГРЗЭ являются структурным аналогом слоистых двойных гидроксидов, и представляют собой составленные параллельно друг другу двумерные «бесконечные» слои положительно заряженных гидроксокомплексов металлов, которые разделены межслойным пространством, содержащим компенсирующие заряд анионы и молекулы кристаллизационной воды. Межслойные анионы относительно слабо связаны с несущими слоями гидроксокомплексов, поэтому данный класс материалов обладает высокой анионной емкостью по отношению к широкой разновидности анионов, как органического, так и неорганического типа. Варьирование катионного и анионного составов на различных этапах синтеза СГРЗЭ позволяет регулировать структуру, плотность заряда слоев, величину межслойного расстояния вплоть до образования монослойных комплексов, тем самым достигается синтез слоистых продуктов с заданным набором физико-химических свойств. Таким образом, уникальные электрические, оптические, магнитные и каталитические свойства редкоземельных элементов в сочетании с интеркаляционной химией приводят к возможности получения широкого спектра перспективных функциональных материалов на основе СГРЗЭ. В настоящее время основной интерес исследований направлен на создание высокоэффективных термо и фотостабильных неорганических люминофоров на основе СГРЗЭ. Активно ведутся разработки новых сенсорных материалов, контрастов для магниторезонансной томографии, нанокапсул для доставки лекарственных веществ, катализаторов для получения биотоплива, криогенных магнитных охладителей и др. Среди методов синтеза СГРЗЭ наибольшее применение нашли: гидротермальная обработка смеси водных растворов солей редкоземельных элементов (III+) с растворами щелочей или аммония и гомогенное осаждение с образованием осадителя в ходе реакции разложения. При этом формируются сильноупорядоченные пластинчатые частицы с размерами слоев вдоль плоскости до нескольких десятков тысяч и толщиной до единиц нанометров. Подобные структуры обладают сильной анизотропией свойств, что дает возможность при нанесении на поверхность формировать точно ориентированные кристаллические нанопленки, и поэтому привлекательны для создания новых люминофоров. Основными недостатками описанных методов являются малая производительность, нестабильность ключевых параметров синтеза, в первую очередь значения рН процесса, а также отсутствие возможности регулируемого ведения ионов-активаторов на различных этапах синтеза, что обусловлено необходимостью использования специального герметичного оборудования с периодическим принципом действия. В рамках проекта предлагается использование для синтеза слоистых редкоземельных гидроксидов, а также для формирования многокомпонентных систем с регулируемым распределение ионов-активаторов в высокоупорядоченной слоистой матрице на основе СГРЗЭ метод соосаждения в условиях постоянного значения рН. Указанный метод широко применяется для получения высококристалличных, ультрадисперсных слоистых двойных гидроксидов различных составов. Посредством одновременного введения растворов смеси металлов (II+)/(III+) и осадителя в реактор смешения, а также удерживания основных макропараметров осаждения на постоянном уровне, в частности соотношения компонентов или значения рН, добиваются гомогенного распределения катионов и совместного образования их гидроксокомплексов в осадке. Несмотря на фактически подтвержденные преимущества метода соосаждения в условиях постоянного значения рН при синтезе многокомпонентных систем, на сегодняшний день исследований, посвященных свойствам СГРЗЭ синтезированных при постоянном значении рН, то есть подходам и принципам аналогично применяемым для слоистых двойных гидроксидов, не было обнаружено. Проект направлен на интеграцию закономерностей и подходов к синтезу двойных слоистых гидроксидов в область получения слоистых гидроксосоединений РЗЭ, что позволит получить детальную и достоверную информации о механизмах формирования слоистых гидроксосоединений РЗЭ, о влиянии параметров процесса нуклеации на основные особенности структуры слоистых гидроксосоединений РЗЭ, о структуре многокомпонентных слоистых гидроксосоединений РЗЭ, а также о изменениях этих параметров в ходе формирования тонких покрытий на основе слоистых гидроксосоединений РЗЭ и их термической обработке, что в свою очередь позволит существенно упростят существующие технологии получения слоистых гидроксосоединений РЗЭ, а также повысить возможность регулирования параметров СГРЗЭ на стадии синтеза, что в конечном счете может привести к повышению эффективности современных систем преобразования электромагнитного излучения, в частности солнечных батарей, фотолюминесцентных ламп, светодиодов (LEDs), плазменные панели (PDPs), плоских дисплеев (FDPs), дисплеев с полевой эмиссией (FEDs), и электронно-лучевых трубок (CRTs).

Ожидаемые результаты
По оценке лидирующей научной группы в области синтеза и исследования СГРЗЭ, работающей под руководством Yang Xiaojing (Китай) и Zhu Qi (Китай) (https://doi.org/10.1007/s40145-017-0238-0), наибольшие усилия в области синтеза СГРЗЭ должны быть направлены на разработку более эффективных методов синтеза и эксфолиации крупных наноструктур СГРЗЭ. Предлагаемый научный проект направлен на разработку новых подходов к синтезу СГРЗЭ, в частности на применение методов соосаждения в условиях постоянного значения рН для синтеза СГРЗЭ. В ходе выполнения проекта будет впервые исследовано влияния условий нуклеации (значения рН, температуры, типа растворителя) в условиях постоянного значения рН на структурные и фотолюминесцентные свойства слоистых гидроксонитратов и гидроксосульфатов гадолиния, а также продуктов их термического разложения. Будут впервые изучены процессы совместного осаждения слоистых гидроксонитратов и гидроксосульфатов гадолиния и эрбия, а также гадолиния и иттербия в условиях постоянного значения рН; взаимное пространственное распределение ионов гадолиния и ионов-активаторов будет исследовано при помощи методов сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом, а также при помощи метода фотолюминесценции. Будут получены новые закономерности образования твердых растворов РЗЭ из смешанных слоистых гидроксонитратов. Будет разработана технология формирования многокомпонентных систем с регулируемым распределение ионов- активаторов (эрбий, иттербий) в высокоупорядоченной слоистой матрице на основе слоистого гидроксонитртата гадолиния, основанная на сорбционном введении ионов-активаторов в виде отрицательно-заряженных комплексов в межслоевое пространство слоистого гидроксонитриата гадолиния. Будет проведено исследование процессов интеркаляции и эксфолиация слоистых гидроксонитратов и гидроксосульфатов гадолиния, а также смешанных гидроксонитратов и гидроксосульфатов, полученных соосаждением в условиях постоянного значения рН. Полученные результаты позволят интегрировать закономерности и подходы к синтезу двойных слоистых гидроксидов в область получения слоистых гидроксосоединений РЗЭ, что позволит существенно упростят существующие технологии получения слоистых гидроксосоединений РЗЭ, а также повысить возможность регулирования параметров СГРЗЭ на стадии синтеза, что в конечном счете может привести к повышению эффективности современных систем преобразования электромагнитного излучения, в частности солнечных батарей, фотолюминесцентных ламп, светодиодов (LEDs), плазменные панели (PDPs), плоских дисплеев (FDPs), дисплеев с полевой эмиссией (FEDs), и электронно-лучевых трубок (CRTs). По результатам исследований будут представлены доклады на международных конференциях, а также опубликованы статьи в ведущих научных журналах, индексируемых в WoS и/или Scopus, также планируется подача заявки на патент на способ получения люминесцентного материала на основе соединений РЗЭ с повышенной эффективностью преобразования электромагнитного излучения.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---