Laboratory "Chemistry of hybrid nanomaterials and supramolecular systems"

Группа №1 "Разработка растворных методов синтеза функциональных наноматериалов и композитов"

Руководитель: дхн Агафонов Александр Викторович

Задачи группы: 

  • Разработка методов получения новых наноразмерных материалов с использованием принципов самосборки и самоорганизации в растворах с упором на управление формой, размером и структурой наночастиц (нано и микросферы, структры типа ядро-оболочка, наностержни, нанопроволоки, мезопористые материалы, оксиды металлов и гибридные органо-неорганические нанокомпозиты);
  • Разработка подходов и методов функционализации наноматериалов  и наносистем;
  • Реализация технологического потенциала наноматериалов на основе целенаправленной структурной организации и интеграции в другие технологии.

Объекты исследования:

  • наночастицы неорганических оксидов (TiO2, SiO2, Al2O3, Fe3O4, WO3, CuO, NiO и т.д.);
  • наночастицы металлов (Au°, Ni°, Cu°);
  • органо-неорганические гибриды на основе полимеров и наночастиц неорганических оксидов .

 

Группа №2 "Группа плазмохимии"

Руководитель: дфмн Титов Валерий Александрович

Направления исследований:

  • Кинетика и механизмы генерации активных частиц в неравновесной плазме, контактирующей с жидкой фазой;
  • Процессы взаимодействия неравновесной плазмы с полимерными материалами и с жидкими средами (растворами);
  • Плазмохимические методы получения наночастиц оксидов металлов и композиционных материалов на их основе с использованием газовых разрядов, контактирующих с жидкой фазой;
  • Плазмохимические методы модифицирования поверхности полимерных материалов;
  • Процессы переноса компонентов растворов в плазму и их влияние на физические параметры плазмы и кинетику плазмохимических реакций.

Группа выполняет исследования, нацеленные на установление закономерностей синтеза наночастиц металлов и оксидов металлов при использовании различных генераторов плазмы, контактирующей с жидкостями, а также на получение новых композиционных материалов и продуктов, обладающих высокой сорбционной способностью, каталитической и бактерицидной активностью.

Антибактериальные свойства пленок полимолочной кислоты с наночастицами серебра по отношению к E. coli, B. subt., S. aureus и C. albic: 1 – без наночастиц, 2 – 1.3% серебра, 3 – 4.2% серебра, 4 – 8.2% серебра.

Используется плазма, генерируемая газовыми разрядами постоянного тока при различной полярности металлических и жидких электродов, разрядами на постоянном и переменном токе между расположенными в жидкости металлическими электродами.

Плазма, в контакте с жидкостью является сильно неравновесной системой с уникальными свойствами и чрезвычайно высокой химической активностью. При средней энергии электронов, отвечающей температуре Tе ~ 10000 – 20000 К, и высокой колебательной и вращательной температурах молекул в плазме (Tr ~ 1500 и Tv ~ 5000 К), контактирующая с плазмой жидкость имеет достаточно низкую температуру (не выше температуры кипения). В результате в плазме реализуются сверхравновесные концентрации активных частиц и высокие скорости протекания химических реакций. Быстрая эрозия электродов под действием ионов, ускоренных в приэлектродных областях падений потенциала, служит источником атомов металлов в газовой фазе, которые вступают в реакции с активными частицами плазмы, а попадание продуктов реакций в жидкость сопровождается их быстрой закалкой. Это открывает возможности получения нестехиометрических оксидов и легированных оксидных систем.

      Разряд постоянного тока с жидким катодом (а) и с жидким анодом (б)  

 

УФ излучение плазмы, ионная бомбардировка поверхности жидкости и рекомбинационные процессы на ее границе с плазмой ведут к образованию химически активных частиц в тонком поверхностном слое жидкости, и к протеканию в ней окислительно-восстановительных реакций. Изменение состава жидкости и ее рН дает дополнительные возможности для регулирования структуры и свойств продуктов плазмохимических реакций.

Частицы порошков нестехиометрического оксида молибдена, полученные с использованием тлеющего разряда в воздухе (а) и импульсного подводного разряда (b)

Методы исследований:

  • Измерения электрофизических параметров плазмы;
  • Эмиссионно-спектральная диагностика плазмы;
  • Динамическое рассеяние света;
  • Сканирующая электронная микроскопия;
  • Просвечивающая электронная микроскопия;
  • Атомно-силовая микроскопия;
  • Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия;
  • Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;
  • Электронная спектроскопия поглощения и флуоресцентная спектроскопия;
  • ИК спектроскопия многократного нарушенного полного внутреннего отражения;
  • Рентгеноструктурный анализ;
  • Низкотемпературная адсорбция азота.

Основные результаты:

  • Плазмохимическими методами получены наночастицы оксидов титана, молибдена и вольфрама. На примере оксидов молибдена показано, что изменение способа возбуждения плазмы и параметров разряда позволяет управлять размером частиц, их структурой и свойствами;
  • Исследованы процессы образования наночастиц серебра и их осаждения на полимерные подложки (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат) при использовании плазмы разряда атмосферного давления с жидким катодом – водным раствором нитрата серебра. Показана бактерицидная активность полученных материалов;
  • Изучена кинетика и установлены закономерности генерации гидроксил-радикалов, пероксида водорода, сольватированных электронов в воде и водных растворах электролитов под действием разрядов различных типов (разряд постоянного тока с жидким катодом, подводный диафрагменный разряд, контактный разряд в объеме жидкости). Для детектирования радикалов использован метод акцепторов. Найдены энергетические выходы активных частиц при газоразрядной обработке жидкой фазы;
  • С использованием экспериментальных методик (электрофизические измерения, спектроскопия излучения плазмы) изучены физические свойства разрядов атмосферного давления с жидкими электролитными катодами – растворами солей металлов. Показано, что на физические характеристики плазмы влияют процессы переноса компонентов растворенных веществ из жидкого катода в плазму. На основе экспериментальных данных выполнено численное моделирование процессов образования и дальнейших превращений активных частиц в плазме разрядов с электролитными катодами из растворов хлоридов натрия, кальция и меди. Установлены возможные процессы, которые определяют влияние продуктов переноса компонентов растворов в плазму на свойства разряда и кинетику протекающих в плазме процессов. Определены концентрации и основные каналы образования и гибели ряда активных частиц в плазме: гидроксил радикалов, пероксида водорода, атомарного кислорода, оксидов азота и других;
  • С использованием плазмы успешно реализованы процессы деструкции и модификации хитозана в растворах, осуществлена его иммобилизация на поверхности инертного полимерного носителя; (полипропилена). Плазмохимическим методом получен композиционный материал (хитозан с внедренными в него наночастицами серебра), который обладает бактерицидными свойствами;
  • Впервые показано, что плазмохимическая обработка водных суспензий целлюлозы существенно увеличивает выход нанокристаллической целлюлозы при последующем кислотном гидролизе.
Projects and grants:
  • Грант РФФИ 09-03-97553-р_центр_а Золь - гель синтез новых наноструктурированных материалов на основе TiO2 и Al2O3. Исследование свойств и взаимосвязи создаваемой структуры и каталитической активности 2009 -2011.
  • Грант РФФИ 10-03-92658-ИНД_а Принципы формирования наноархитектур на основе оксидов титана и алюминия и их взаимосвязь с каталитическими и адсорбционными свойствами 2010 - 2011.
  • Грант РФФИ 11-03-12063-офи-м-2011 Золь – гель синтез разбавленных магнитных полупроводников в полимерной матрице 2011 - 2012.
  • Грант РФФИ 14-03-00502А Мягкий синтез наноструктур титанатов переходных металлов для применения в экологическом фотокатализе 2014-2016.
  • НИР на тему «Разработка оптически прозрачной композиции для нанесения на органическое остекление самолетов»" Договор с государственным научным центром ОАО "ОНПП "Технология" 2010-2012 .
  • Грант РФФИ, проект 5-48-03064 р_центр_а Создание научных основ придания полиэфирным тканям барьерных антимикробных свойств и способности к самоочищению за счет формирования на их поверхности покрытия на основе наночастиц фотоактивного диоксида титана (2015-2016 гг.).
  • Грант РФФИ, проект 15-43-03148 р_центр_а Низкотемпературный золь-гель синтез металл-оксидных пленок на полимерных подложках (2015-2017 г.г.)
  • Грант РФФИ, проект 16-03-01016 а Крупноразмерные полигидроксокомлексы d- и f-элементов в получении функциональных слоистых и волокнистых наноматериалов на основе минеральных и биологических темплатов (2016-2018 гг.).
  • Грант РФФИ, проект 18-29-12012 мк Гелеобразные ионопроводящие нанокомпозиты на основе глинистых минералов и ионных жидкостей (2019-2021 г.г.)
  • Грант РНФ  №16-13-10399
  • Грант РНФ 19-73-00022 – Использование плазмохимических методов для получения композиционных полимерных наноматериалов, обладающих фотокаталитической и бактерицидной активностью.
  • Грант РФФИ 20-02-00501 – Разработка фундаментальных основ плазмохимических технологий получения хитооолигосахаридов с фитостимулирующими свойствами.
  • РФФИ 15-42-03124 – Экспериментальное исследование и численное моделирование процессов взаимодействия неравновесной плазмы аргона с полимерами с учетом продуктов гетерогенных реакций.
  • РФФИ 16-33-60061 мол_а_дк – Исследование процессов переноса в плазму компонентов водных растворов солей металлов: эксперимент и компьютерное моделирование.
Head of the laboratory
Doctor of сhemical sciences
professor
Senior researcher
Phd in chemistry
Researcher
Phd of technical sciences
Researcher, Ph.D. student
Academic secretary, Researcher
Phd in chemistry
Researcher
Phd in chemistry
Researcher
Phd in chemistry
Senior researcher
Phd in chemistry
Junior researcher, Ph.D. student
Researcher
Phd in chemistry
Junior researcher
Phd of technical sciences
Chief researcher
Doctor of physical and mathematical sciences

Основные публикации за 2020-2022 гг:

  1. Titov V.A., Khlyustova A.V., Sirotkin S.A.[et al.] Formation Rate and Energy Yield of Hydroxyl Radicals in Water under the Action of Gas-Discharge Plasma// Plasma Physics Reports. – 2020. – Vol. 46, No. 4. – P. 472-475.        DOI:10.1134/S1063780X20040133.
  2. Кусова Т.В. , Ямановская И.А.,. Копейкина Н.С [и др.] Получение мезопористых материалов на основе диоксида титана, модифицированного частицами магнетита, обладающих высокой адсорбционной емкостью и фотокаталической активностью  // Перспективные материалы. – 2020. – № 12. – С. 64-72.   DOI:10.30791/1028-978X-2020-12-64-72.
  3. Егорышева А.В., Краев А.С., Гайтко О.М. [и др.] Электрореологические жидкости на основе ферритов висмута BiFeO3 и Bi2Fe4O9 // Журнал неорганической химии. – 2020. – Т. 65, № 8. – С. 1128-1139. DOI 10.31857/S0044457X20080048.
  4. Иванов К.В., Алексеева О.В., Агафонов А.В. Синтез CaCu3Ti4O12, исследование физико-химических и фотокаталитических свойств // Журнал неорганической химии. – 2020. – Т. 65, № 10. – С. 1338-1344.  DOI 10.31857/S0044457X20100098.
  5. Nikitin D., Lipatova I., Sirotkin N. [et al.] Immobilization of Chitosan Onto Polypropylene Foil via Air/Solution Atmospheric Pressure Plasma Afterglow Treatment // Plasma Chemistry and Plasma Processing. – 2020. – Vol. 40, No. 1. – P. 207-220.  DOI 10.1007/s11090-019-10029-2.
  6. Khlyustova A., Sirotkin N., Kraev A. [et al.]Parameters of underwater plasma as a factor determining the structure of oxides (Al, Cu, and Fe) // Materialia. – 2021. – Vol. 16. – P. 101081. – DOI 10.1016/j.mtla.2021.101081.
  7. Agafonov A.V., Ramenskaya L.M., Grishina E.P., Kudryakova N.O.Cation effects on the properties of halloysite-confined bis(trifluoromethylsulfonyl)imide based ionic liquids // . – 2021. – Vol. 11, No. 61. – P. 38605-38615.      DOI 10.1039/d1ra05466j.
  8. Sirotkin N., Khlyustova A., Titov V.  [et al.]Applications of plasma synthesized ZnO, TiO2, and Zn/TiOx nanoparticles for making antimicrobial wound-healing viscose patches // Plasma Processes and Polymers. – 2021. – No. б/н. – DOI 10.1002/ppap.202100093.
  9. Ivanov K.V., Noskov A.V., Alekseeva O.V., Agafonov A.V.Synthesis of CaCu3Ti4O12: How Heat Treatment Influences Morphology and Dielectric Properties  // . – 2021. – Vol. 66, No. 4. – P. 490-495. – DOI 10.1134/S0036023621300021.
  10. Alekseeva O.V., Shibaeva V.D., Noskov A.V. [et al.] Enhancing the thermal stability of ionogels: Synthesis and properties of triple ionic liquid/halloysite/mcc ionogels // . – 2021. – Vol. 26, No. 20.        DOI 10.3390/molecules26206198.
  11. Sirotkin N.A., Khlyustova A.V., Titov V.A., Agafonov A.V.  The Use of a Novel Three-Electrode Impulse Underwater Discharge for the Synthesis of W-Mo Mixed Oxide Nanocomposites // . – 2021. – DOI 10.1007/s11090-021-10213-3.
  12. Alekseeva O.V., Noskov A.V., Titov V.A. [et al.]   Adsorption performance of the polystyrene/montmorillonite composites: Effect of plasma treatment //. – 2021. – Vol. 167. – P. 108505.   DOI 10.1016/j.cep.2021.108505.
  13. Agafonov A.V., Grishina E.P., Kudryakova N.O.  [et al.] Ionogels: Squeeze flow rheology and ionic conductivity of quasi-solidified nanostructured hybrid materials containing ionic liquids immobilized on halloysite // . – 2022. – Vol. 15, No. 1. – P. 103470.   DOI 10.1016/j.arabjc.2021.103470.
  14. Алексеева О.В., Смирнова Д.Н., Носков А.В. [и др.]Синтез, структура и свойства композита галлуазит/магнетит // Физикохимия поверхности и защита материалов. – 2022. – Т. 58, № 2. – С. 176-182.  DOI 10.31857/S0044185622020024.

  15. Khlyustova A., Sirotkin N., Titov V., Agafonov A.  One-Pot Underwater Plasma Synthesis and Characterization of Fe- and Ni-Doped Boehmite // . – 2022. – Vol. 57, No. 2. – P. 2100117.  DOI 10.1002/crat.202100117.

  16. Алексеева О.В., Шипко М.Н., Смирнова Д.Н. [и др.] Модификация поверхности и физико-химических свойств алюмосиликатных нанотрубок галлуазита наночастицами магнетита // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2022. – № 3. – С. 23-30.  DOI 10.31857/S1028096022030025.

  17. Агафонов А.В., Сироткин Н.А., ТитоВ.А., Хлюстова А.В. Подводная низкотемпературная плазма как инструмент синтеза неорганических наноматериалов // Журнал неорганической химии. – 2022. – Т. 67, № 3. – С. 271-280.       DOI 10.31857/S0044457X22030023.

  18. Шибаева В.Д., Агафонов А.В., Алексеева О.В.,  Носков А.В.  Синтез и свойства трехкомпонентных ионопроводящих нанокомпозитов на основе 1-бутил-3-метилимидазолия ацетата, галлуазита и микрокристаллической целлюлозы // Проблемы науки. Химия, химическая технология и экология : Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции, Новомосковск, 31 октября – 02 2022 года. – Тула: Аквариус, 2022. – С. 432-441.