Студенческая наука

                                           
Одно из самых важных требований к аккумуляторам – высокие значения емкости и удельной мощности, которые в первую очередь, определяются материалами электродов. При этом стабильность работы аккумулятора, его безопасность, а также скорость заряда/разряда в большей степени определяются материалом используемого электролита [Voropaeva D.Yu et al., Polymer electrolytes for lithium- and sodium-ion batteries. Russ. Chem. Rev. 2020]. Коммерчески доступные литий-ионные аккумуляторы содержат пористый сепаратор, пропитанный жидким электролитом, который представляет собой растворенную соль лития, такую как LiPF₆ или LiClO₄, в различных апротонных органических растворителях, обеспечивающих широкое окно электрохимической стабильности. Наиболее важным преимуществом таких электролитов являются высокие значения ионной проводимости, однако среди недостатков можно отметить возможную утечку жидкого электролита, агрессивные продукты разложения используемых солей, что делает аккумулятор небезопасным, а также параллельный транспорт анионов в процессе работы аккумулятора, что приводит к падению его мощности.
В нашей лаборатории разрабатываются альтернативные виды электролитов, на основе ионообменных мембран, сольватированные апротонными растворителями [Voropaeva D. et al. Membranes with novel highly-delocalized sulfonylimide anions for lithium-ion batteries. J. Membr. Sci. 2020; Voropaeva D. et al. Polymer electrolytes for LIBs based on perfluorinated sulfocationic Nepem-117 membrane and aprotic solvents. J. Phys. Chem. B. 2019]. Благодаря ковалентной связанности анионов с полимерной матрицей, такие электролиты лишены недостатка параллельного переноса противоионов при работе аккумулятора. Сольватация мембран апротонными растворителями, использующимся в жидких электролитах, обеспечивает быстрый транспорт ионов, хороший контакт на границе электрод/электролит, а также широкое окно электрохимической стабильности. Одним из недостатков сольватации мембран является значительная потеря механической прочности. Для преодоления этого недостатка возможно, например, внедрение неорганических частиц в ионообменную матрицу, с получением композиционных полимерных электролитов.
В рамках курсовой работы предлагается изучить влияние количества внедряемых неорганических частиц, в частности оксида циркония, а также их природы (инертные частицы и частицы с сульфированной поверхностью) в коммерчески доступную мембрану Nafion на такие основные характеристики электролитов, как степень сольватации, ионная проводимость, а также механическая стабильность.
Исследования в области разработки гибридных ионообменных мембран для селективного разделения ионов в водных растворах (Руководитель - аспирант 3-го года обучения, м.н.с. Голубенко Д.В.)
Созданию и разработке мембранных материалов для селективного разделения многокомпонентных водных растворов уделено огромное внимание международного сообщества, что выражается в росте количества публикаций и цитирований, посвященных этой тематике [Tan, R., etal. Hydrophilic microporous membranes for selective ion separation and flow-battery energy storage. Nat. Mater. 2019, Razmjou, A., et al. Design principles of ion selective nanostructured membranes for the extraction of lithium ions. Nat. Commun. 2019, Luo, T., et al. Selectivity of ion exchange membranes: A review. J. Memb. Sci. 2018]. Во многом это связано с общей тенденцией на увеличение экологичности человеческой жизнедеятельности. Дело в том, что мембранные процессы часто используют вместо химических стадий при разделении компонентов смеси, что уменьшает количество отходов. Например, популярная сегодня задача по выделению солей лития из морских рассолов, которая сводится к селективному разделению ионов лития и магния, решается с помощью электродиализа с селективными ионообменными мембранами, вместо традиционного химического разделения.
Одно из направлений работы нашей лаборатории заключается в разработке гибридных ионообменных мембран на основе неорганических частиц и полиэлектролитов. Такие композиционные мембраны отличаются по свойствам от негибридных материалов из-за участия поверхности неорганических частиц в процессе ионного переноса. Например, внедрение наночастиц кислого фосфата циркония в матрицу коммерческой катионообменной мембраны приводит к появлению у последней селективности к однозарядным ионам [Golubenko, D.V. etal. An approach to increase the permselectivity and mono-valent ion selectivity of cation-exchange membranes by introduction of amorphous zirconium phosphate nanoparticles. J . Memb. Sci. 2018].
В рамках курсовой предлагается синтезировать новый композиционный материал на основе наночастиц малорастворимого неорганического фосфата и полимерной ионообменной мембраны на основе акрилатных полиэлектролитов для изменения транспортной селективности последних. Также наночастицы неорганического фосфата будут синтезирован вне матрицы мембраны, состав, строение и свойства частиц будут охарактеризованы методами ИК-спектроскопии, рентгеновской дифракции, анализом площади поверхности и др.

Лаборатория химии обменных кластеров (Заведующий лабораторией – к.х.н. Шаповалов Сергей Сергеевич)

Основные направления работы

• Направленный синтез и стереохимия гетерометаллических кластеров на основе концепции изолобальных аналогий Хоффманна.
• Синтез комплексов металлов с необычными карбеноидами – органотеллургалогенидами, станниленами, N-гетероциклическими карбенами, органодигалогенидами (арен-рутения, циклопентадиенил-кобальта и -родия, циклобутадиен-кобальта, трис-пиразолилбората рения и нульвалентных комплексов платины) – образующими резко укороченные, кратные связи металл-олово и металл-теллур.
• Создание супрамолекулярных структур за счет невалетных взаимодействий (галогеновые связи и стеккинг)

       Актуальные направления работы студентов:

Синтез гетерометаллических комплексов и кластеров переходных металлов ( Руководитель - с.н.с., Шаповалов Сергей Сергеевич)

В рамках данного направления будут синтезированы гетерометаллические комплексы и кластеры платины и других переходных металлов, которые являются предшественниками модельных высокоэффективных наноразмерных катализаторов восстановления молекулярного кислорода в метанол-воздушных топливных элементах и переработки рапсового масла в углеводороды.

Синтез, изучение строения и свойств молекулярных магнетиков (с.н.с., Скабицкий Иван Владимирович)

В рамках данного исследования будут изучены закономерности образования гетерометаллических комплексов парамагнитных металлов с высокой анизотропией и высоким значением эффективного барьера. Будет реализован новый подход к созданию молекулярных магнетиков.

Лаборатория синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ( Заведующий лабораторией – к.х.н. Баранчиков Александр Евгеньевич)

Основные направления работы

• Направленный синтез и исследование физико-химических свойств новых высоко- и нанодисперсных функциональных материалов, в том числе катализаторов и фотокатализаторов, на основе оксидов висмута, переходных и редкоземельных металлов.
• Изучение механизмов формирования функциональных оксидных материалов при синтезе методами «мягкой химии».
• Разработка методов получения оксидных наноматериалов с высокой биологической активностью.
• Создание новых гибридных материалов для солнечной энергетики.
• Создание научных основ экологически безопасных и ресурсосберегающих химико-технологических процессов переработки минерального сырья.
• Синтез новых противогололедных реагентов. Изучение стеклообразования в водно-электролитных системах.
  

Актуальные направления работы студентов:
Гибридные галовисмутаты, производные 2,2`- бипиридина (Руководитель -профессор Котов Виталий Юрьевич)

Гибридные галометаллаты представляют особый интерес для исследователей благодаря необычным физическим свойствам: люминесценции, термохромизму, фотокаталитической активности, а также фотогальванической способности.  Сегодня наибольшее внимание исследователей уделяется изучению перовскитных материалов,  кандидатов на использование в высокоэффективных солнечных элементах. В качестве альтернативы свинцовым перовскитам мы рассматриваем малотоксичные гидролитически стабильные гибридные галовисмутаты. Для большинства гибридных галовисмутатов характерны высокие величины ширины оптической запрещенной зоны. Известно всего несколько галовисмутатов, с низкими значениями E_g. Кристаллические структуры этих соединений связывает наличие в них линейных 1-D анионов [BiХ₅]_n^2n-.Для нас важной задачей представляется разработка методов кристаллической инженерии, которые бы позволили целенаправленно получать галовисмутаты с заданной структурой, а, следовательно, и физическими свойствами. Решив ее, мы будем искать пути нанесения этих веществ на оксидные покрытия и создания на их основе солнечных элементов.

 Бурденкова Александра Валерьевна, студентка 2 курса

Лаборатория химии легких элементов и кластеров

Попленкина Дарья Евгеньевна, студентка 2 курса

 Лаборатория термического анализа и калориметрии

Колбунова Анастасия Викторовна, студентка 2 курса

Лаборатория химии легких элементов и кластеров 

 Малахова Виктория Романовна, студентка 2 курса

Лаборатория ионики функциональных материалов 

Белова Олеся Вадимовна, студентка 2 курса

Лаборатория синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья

Лаборатория химии легких элементов и кластеров

 Булдашов Иван Андреевич, студент 2 курса

Лаборатория пероксидных соединений и материалов на их основе

 Гладышева Анна Михайловна, студентка 2 курса

Лаборатория аналитической химии и методов разделения

 Шейченко Екатерина Дмитриевна, студентка 2 курса

Лаборатория синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья

Лаборатория аналитической химии и методов разделения

Лаборатория синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья

Шремзер Екатерина Сергеевна,  студентка 2 курса

Лаборатория координационной химии щелочных и редких металлов