РФФИ_аспиранты_Алина Скорынина

In situ исследование нанопористых материалов методами рентгеновской и колебательной спектроскопий

Контроль структуры материалов в режиме реального времени непосредственно в ходе их синтеза является важной задачей для рационального дизайна новых материалов с наперед заданными свойствами. Данный проект направлен на установление структурных особенностей и определения ключевых этапов формирования кристаллической структуры в ходе синтеза двух классов пористых кристаллических материалов, цеолитов и металл-органических координационных полимеров (МОКП), по данным in situ спектроскопии рентгеновского поглощения и колебательной спектроскопии. Впервые в мировой практике будут определены промежуточные структуры кластеров циркония в ходе формирования МОКП типа UiO-66 и установлены фундаментальные закономерности между атомной структурой и такими параметрами синтеза, как тип растворителя, концентрации реагентов и температура. Также на основе расчетов из первых принципов будут установлены взаимосвязи между степенью деалюминации цеолитов типа Y с их колебательными спектрами, что может стать предпосылкой к развитию нового способа неразрушающей in situ диагностики. Анализ больших объемов экспериментальных и теоретических данных будет проведен с использованием алгоритмов машинного обучения с целью определения сложных скрытых зависимостей типа структура-свойства, что в дальнейшем может быть использовано для усовершенствования лабораторных установок системами обратной связи для автоматического управления параметрами синтеза в режиме реального времени.

На первом году реализации проекта были синтезированы три типа материалов: металл-органические каркасные структуры (МОК) типа UiO-66, цеолиты типа Y и комплексы Pd(II) с Шиффовыми основаниями, содержащими атомы брома и йода, последние из которых были получены впервые. Синтез МОК был осуществлен на источнике синхротронного излучения с контролем структурных параметров в режиме реального времени непосредственно в ходе их синтеза методами рентгеновской дифракции и спектроскопии рентгеновского поглощения в протяженной области. Предварительная обработка полученных данных показала основные этапы формирования структуры МОК, а также типы промежуточных структур кластеров циркония, формируемых в зависимости от используемого типа растворителя. Впервые установленные промежуточные этапы формирования UiO-66 и найденные закономерности между атомной структурой и типом растворителя, позволят в дальнейшем проводить рациональный дизайн МОК с наперед заданными свойствами.
Для экспериментально полученных спектров комбинационного рассеяния цеолитов с разным отношением Si:Al (SAR), варьируемого от 2,6 до 18,1, были найдены зависимости характеристических линий от параметров решетки, вычисленных по данным рентгеновской дифракции. Начато проведение расчетов из первых принципов для установления взаимосвязи между степенью деалюминации цеолитов типа Y с их колебательными спектрами. Ожидается, что установление таких закономерностей может стать предпосылкой к развитию нового способа неразрушающей in situ диагностики.