Результаты группы

В ходе выполнения работ по проекту «Композиционнные ионпроводящие мембраны на основе фосфатов церия(IV)» удалось расширить существующие представления об использовании аморфного фосфата церия в качестве модификатора ионообменных мембран и его кристаллизации в гидротермальных условиях, в том числе с использованием микроволнового воздействия.

Впервые коллективом исследователей НУГ была получена серия композиционных мембранных материалов на основе аморфного фосфата церия(IV) и гетерогенных мембран RALEX® методом синтеза частиц непосредственно в системе пор и каналов. В случае катионообменных мембран были дополнительно получены образцы гибридных материалов с фосфатом церия(III). Для всех полученных образцов были охарактеризованы ионообменная ёмкость, влагосодержание, содержание допанта, ионная проводимость в различных ионных формах, мембранный потенциал и числа переноса. Для получения представления о распределении модификатора по толщине мембраны была изучена морфология поверхности и срезов образцов, а также определен состав путем растровой электронной микроскопии высокого разрешения и рентгеноспектрального микроанализа. На основе этих данных была установлена зависимость между составом и транспортными характеристиками композиционных мембран, что позволило определить наиболее эффективный способ получения материалов с заданными свойствами.

Важной частью исследований в рамках проекта была оценка применимости полученных композитов для селективного обессоливания методом электродиализа. Для этого были проведены модельные эксперименты, которые заключались в определении коэффициентов селективности в парах литий-магний и хлорид-сульфат в процессах обессоливания соответствующих эквинормальных растворов различных концентраций. Вместе со значениями коэффициентов селективности были также получены экспериментальные данные о зависимости величины тока от перепада напряжения на мембране путем изучения вольт-амперных характеристик образцов.

Полученные данные прямо указывают на перспективность использования гибридных ионообменных мембран, в которых в качестве наполнителя полимерной матрицы использованы фосфаты церия(IV), обладающие рядом уникальных свойств, к которым можно отнести высокую химическую устойчивость в широком диапазоне pH и ионообменную емкость.

Одной из ключевых задач проекта являлось выявление закономерностей кристаллизации аморфных фосфатов церия(IV) в условиях гидротермальной обработки, в том числе с использованием микроволнового воздействия; анализ возможности получения кристаллических фосфатов церия(IV), допированных алюминием и ванадием. Для решения указанной задачи бы проведен масштабный цикл экспериментов, включающий в себя анализ продуктов гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработки (при различных температурах 100–190°С и продолжительностях синтеза, от 5 мин до 24 ч, аморфных гидроортофосфатов церия в присутствии различных электролитов (водные растворы аммиака, ванадата аммония, гидроортофосфата аммония, азотной кислоты, ортофосфорной кислоты). Все проведенные эксперименты были выполнены в максимально стандартизованных условиях. Все полученные твердофазные материалы анализировали с использованием взаимодополняющих методов физико-химического анализа – порошковой рентгеновской дифракции, растровой электронной микроскопии, энергодисперсионного микроанализа, оптической спектроскопии, ИК-спектроскопии.

Все проведенные экспериментальные работы, а также обработка данных всех результатов физико-химического анализа была выполнена членами коллектива НУГ – студентами НИУ ВШЭ. Все проведенные измерения были выполнены непосредственно студентами НИУ ВШЭ (а именно анализ материалов методами ИК- и оптической спектроскопии) или при их непосредственном участии (порошковая рентгеновская дифракция, растровая электронная микроскопия, энергодисперсионный микроанализ). Таким образом, члены НУГ получили значительный опыт приборной работы на современном материаловедческом оборудовании, а также корректной обработки полученных экспериментальных данных. Также члены коллектива НУГ регулярно обсуждали полученные результаты для планирования дальнейших экспериментов, а также оказывали помощь друг другу. Таким образом, в результате выполнения работ члены НУГ получили опыт проведения совместных исследований, совместного планирования и постановки исследовательских задач, что способствовало формированию сплоченного и мотивированного научного коллектива.

По результатам работы научно-учебной группы коллективом исследователей были подготовлены две публикации (в соавторстве) в журналах, индексируемых в международных базах данных:

1. Тронев И.В., Шейченко Е.Д, Разворотнева Л.С., Труфанова Э.А., Минакова П.В., Козлова Т.О., Баранчиков А.Е., Иванов В.К. Гидротермально-микроволновой синтез ортофосфатов церия(IV)-аммония (NH4)2Ce(PO4)2(H2O) и NH4Ce2(PO4)3 // Журн. неорган. химии. 2023. IF (WoS): 0.480.

2. Manin A., Golubenko D., Yurova P., Yaroslavtsev A. Improvement of Li/Mg monovalent ion selectivity of сation-exchange membranes by introduction of cerium or zirconium phosphate particles // Mendeleev Commun. 2023. IF(WoS): 1.837