Новые функциональные наноматериалы для применения в каталитических процессах и в технологиях для хранения и преобразования энергии

Новые функциональные наноматериалы для применения в каталитических процессах и в технологиях для хранения и преобразования энергии


Целью проекта является определение фундаментальные закономерностей взаимосвязи параметров локальной атомной и электронной структур новых функциональных материалов с их практически важными характеристиками для каталитических процессов и новых технологий для хранения и преобразования энергии. Достижение этой цели позволит провести разработку фундаментальных основ, методов и подходов для перспективных технологий катализа, хранения и преобразования энергии.
Задачей исследования на этапе 2020 года будет разработка методик многомасштабного суперкомпьютерного моделирования атомной и электронной структур и компьютерный дизайн новых функциональных наноматериалов для применения в каталитических процессах и в технологиях для хранения и преобразования энергии. В частности, будет проведено моделирование из первых принципов с использованием теории функционала плотности в рамках метода молекулярных орбиталей и метода присоединенных плоских волн взаимодействия активных центров нанокатализаторов на основе благородных металлов (палладий, рутений, платина, золото и другие) с молекулами-реагентами и их производными.
Для анализа макроскопических свойств пористых систем, наночастиц металлов, металлорганических каркасных структур, функционализированных цеолитов, катодных материалов стоит задача натренировать модельный потенциал (в частности, ReaxFF) на основе точных расчётов из первых принципов на основе функционала электронной плотности. Для скрининга большого количества потенциальных структур-кандидатов для практического использования стоит задача тренировки алгоритма машинного обучения по поиску зависимостей между структурными дескрипторами (типы химических элементов и лигандов, симметрия локального окружения, топология и др.) и целевыми свойствами (энергии активации, селективность, стабильность, катодный потенциал и др.). Также для решения вышеобозначенной проблемы будут применяться расчеты на основе эволюционных и генетических алгоритмов, ранее успешно используемые членами коллектива настоящего проекта.
Задачей исследования на этапе 2021 года будет разработка новых высокоэффективных методов управляемого синтеза (в том числе с использованием методик потокового синтеза и привлечением технологий искусственного интеллекта) функциональных наноматериалов на основе металл-органических каркасных структур (МОК) семейств UiO, ZIF, MIL, литий- и натрий-ионных катодных материалов, а также гибридных материалов на их основе с заданными уникальными характеристиками и определение оптимальных параметров синтеза для получения требуемых физико-химических характеристик функциональных наноматериалов для применения в каталитических процессах и в технологиях для хранения и преобразования энергии. Будут синтезированы наночастицы палладия, рутения, платины и ряда других благородных металлов различных размеров от 1 до 8 нм с узким распределением по форме и размерам, осажденные на углеродных и оксидных подложках. Будут синтезированы катализаторы, содержащие изолированные центры палладия, платины, рутения и ряда других металлов, стабилизированные внутри нанопористых материалов.
В частности, пористые матрицы МОК при создании гибридных материалов планируется использовать как нано-реакторы для синтеза металлических наночастиц, прекурсоры для создания нано-размерных углеродсодержащих катализаторов - в качестве покрытия и активной рабочей фазы материалов для хранения и преобразования энергии.
Задачей исследования на этапе 2022 года будет развитие методик неразрушающей прецизионной нанодиагностики параметров локальной атомной и электронной структур активных функциональных материалов, в том числе непосредственно в ходе процессов при реальных технологических условиях (режим operando при протекании каталитических реакций на поверхности наночастиц металлов на пористых подложках, а также на металлических центрах в функционализированных цеолитах, заряде-разряде литий- и натрий- ионных катодных материалов, in situ диагностика процесса синтеза материалов) и с привлечением исследовательской инфраструктуры мега-класса (источников синхротронного излучения). Важной частью этих методик будет применение технологии глубокого машинного обучения для анализа больших объемов данных, получаемых в ходе экспериментов с разрешением по времени в ходе исследований процессов, в которые вовлечены материалы для каталитических реакций, включая реакции гидрирования и окисления на нанокатализаторах палладия, рутения и платины, процессов хранения и преобразования энергии. На основе применения разработанных методик будет проведена неразрушающая прецизионная нанодиагностика параметров локальной атомной и электронной структур целого ряда активных функциональных материалов (на примере литий- и натрий-ионных катодных материалов в т.ч. композитных с использованием МОК в качестве покрытия и активной рабочей фазы, функционализированных металлорганических каркасных структур и цеолитов, наночастиц металлов на пористых подложках и др.), в том числе непосредственно в ходе процессов при реальных технологических условиях (режим operando) для широкого ряда гетерогенных реакций и с привлечением исследовательской инфраструктуры мега-класса (источников синхротронного излучения).


Публикации по направлению


Всего отобрано 34 публикаций с суммарным значением Impact-factor = 139.73

1. V.V. Butova, V.A. Polyakov, E.A. Erofeeva, Yu.V. Rusalev, M.A. Gritsai, I.V. Ozhogin, G.S. Borodkin, D. Yu. Kirsanova, Z.M. Gadzhimagomedova, A.A. Guda, A.V. Soldatov "Cobalt nanoparticles embedded in porous N-doped carbon support as a superior catalyst for the p-nitrophenol reduction" Applied Surface Science 2022 592 153292 (Impact-factor: 6.707 ) DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.153292

2. Maria A. Butakova, Andrey V. Chernov, Oleg O. Kartashov and Alexander V. Soldatov "Data-Centric Architecture for Self-Driving Laboratories with Autonomous Discovery of New Nanomaterials" Nanomaterials 2022 12 (12) (Impact-factor: 5.076 ) DOI: 10.3390/ nano12010012  

3. E.A.Mukhanova, I.A.Pankin, O.E.Polozhentsev, P.D.Kuznetsova, V.A.Polyakov, A.V.Soldatov "Influence of the methods of synthesis and grain size distribution on XEOL spectra of CaWO4:xTb3+" Inorganic Chemistry Communications 2022 140 109407 (Impact-factor: 4.93 ) DOI: 10.1016/j.inoche.2022.109407  

4. Andrei A. Tereshchenko, Vera V. Butova, Alexander A. Guda, Olga A. Burachevskaya, Aram L. Bugaev, Aleksei N. Bulgakov, Alina A. Skorynina, Yury V. Rusalev, Ilya V. Pankov, Vadim A. Volochaev, Majd Al-Omoush, Ilya V. Ozhogin, Gennadii S. Borodkin, and Alexander V. Soldatov "Rational Functionalization of UiO-66 with Pd Nanoparticles: Synthesis and In Situ Fourier-Transform Infrared Monitoring " Inorganic Chemistry 2022 61 (9) 3875-3885 (Impact-factor: 4.93 ) DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c03340

5. Vera V. Butova, Abdelaziz M. Aboraia, Victor V. Shapovalov, Narek A. Dzhangiryan, Elizaveta D. Papkovskaya, Oleg I. Ilin, Stanislav P. Kubrin, Alexander A. Guda, Alexander V. Soldatov "Iron (II) fluoride cathode material derived from MIL-88A" Journal of Alloys and Compounds 2022 916 165438 (Impact-factor: 4.175 ) DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165438  

6. Alireza Naeimi, Abdolkarim Sharifi, Leila Montazerghaem, Abbas Rajabi Abhari, Zahra Mahmoodi, Zinab H. Bakr, Alexander V.Soldatov, Gomaa A.M.Ali "Transition metals doped WO3 photocatalyst towards high efficiency decolourization of azo dye" Journal of Molecular Structure 2022 1250 (2) 131800 (Impact-factor: 3.196 ) DOI: 10.1016/j.molstruc.2021.131800

7. Zhengyou, Li;Abdulvakhidov, Kamaludin;Nazarenko, Alexander;Soldatov, Alexander;Plyaka, Pavel;Rusalev, Yury;Manukyan, Aram;Dmitrenko, Ivan;Sirota, Marina "Influence of structural defects and crystallite size on physical properties of Yb3Fe5O12" Applied Physics A: Materials Science and Processing 2022 128 343 (Impact-factor: 2.82 ) DOI: 10.1007/s00339-022-05469-1

8. Viktor Shapovalov,Kristina Kutukova, Sebastian Maletti,Christian Heubner,Vera Butova,Igor Shukaev, Alexander Guda, Alexander Soldatov, Ehrenfried Zschech "Laboratory X-ray Microscopy Study of Microcrack Evolution in a Novel Sodium Iron Titanate-Based Cathode Material for Li-Ion Batteries" Crystals 2022 12 (1) 3 (Impact-factor: 2.589 ) DOI: 10.3390/cryst12010003  

9. Abdulvakhidov Bashir, Li Zhengyoub, Abdulvakhidov Kamal, Soldatov Alexander, Nazarenko Alexander, Kulbuzhev Bashir, Mardasova Irina, Lyanguzov Nikolay, Sitalo Evgeniy, Sadykov Sadyk, Sirota Marina, Dmitrenko Ivan "Study of the structural-phase state and physical properties of (1 − x)(CoFe2 O4) − x(PbTiO3) compositions" Applied Physics A: Materials Science and Processing 2022 128 293 (Impact-factor: 2.584 ) DOI: 10.1007/s00339-022-05442-y

10. Abdulvakhidov, K., Dmitrenko, I., Soldatov, A. et al. "Physical properties and structure of mechanically activated solid solution Pb(Zr0.7Ti0.3)O3" APPLIED PHYSICS A-MATERIALS SCIENCE & PROCESSING 2022 128 88 (Impact-factor: 2.584 ) DOI: 10.1007/s00339-021-05226-w

11. R. Kopelent, A. Tereshchenko, A. Guda, G. Smolentsev, L. Artiglia, V. L. Sushkevich, A. Bugaev, I.I. Sadykov, T. Baidya, M. Bodnarchuk, J. van Bokhoven, M. Nachtegaal, and O. V. Safonova "Enhanced Reducibility of the Ceria–Tin Oxide Solid Solution Modifies the CO Oxidation Mechanism at the Platinum–Oxide Interface" ACS Catalysis 2021 11 (15) 9435–9449 (Impact-factor: 13.084 ) DOI: 10.1021/acscatal.1c01685

12. Ilia A. Pankin, Houeida Issa Hamoud, Kirill A. Lomachenko, Søren Birk Rasmussen, Andrea Martini, Philippe Bazin, Valentin Valtchev, Marco Daturi, Carlo Lamberti, Silvia Bordiga "Cu- and Fe-speciation in a composite zeolite catalyst for selective catalytic reduction of NOx: insights from operando XAS" Catalysis Science & Technology 2021 11 846-860 (Impact-factor: 5.721 ) DOI: 10.1039/D0CY01654C  

13. Artem Svyazhin, Vladimir Nalbandyan, Mauro Rovezzi, Aleksandra Chumakova, Blanka Detlefs, Alexander A. Guda, Alessandro Santambrogio, Alain Manceau, and Pieter Glatzel "Chemical Information in the L3 X‑ray Absorption Spectra of Molybdenum Compounds by High-Energy-Resolution Detection and Density Functional Theory" INORGANIC CHEMISTRY 2021 (Impact-factor: 5.165 ) DOI: 10.1021/acs.inorgchem.1c02600  

14. Abderrhmane Bouafia, Salah Eddine Laouini, Abdelaal S. A. Ahmed, Alexander V. Soldatov, Hamed Algarni, Kwok Feng Chong and Gomaa A. M. Ali "The Recent Progress on Silver Nanoparticles: Synthesis and Electronic Applications" Nanomaterials 2021 11 (9) 2318 (Impact-factor: 5.076 ) DOI: 10.3390/nano11092318  

15. Mikhail A. Soldatov, Vera V. Butova, Danil Pashkov, Maria A. Butakova, Pavel V. Medvedev,  Andrey V. Chernov and Alexander V. Soldatov "Self-Driving Laboratories for Development of New Functional Materials and Optimizing Known Reactions" Nanomaterials 2021 11 (3) 619 (Impact-factor: 4.324 ) DOI: 10.3390/nano11030619  

16. Shapovalov, V.; Guda, A.; Butova, V.; Shukaev, I.; Soldatov, A. "Laboratory Operando XAS Study of Sodium Iron Titanite Cathode in the Li-Ion Half-Cell" Nanomaterials 2021 11 (1) 156 (Impact-factor: 4.324 ) DOI: 10.3390/nano11010156  

17. Pnevskaya A. Y., Bugaev A. L., Tereshchenko A. A., Soldatov A. V. "Experimental and theoretical investigation of ethylene and 1-MCP binding sites in HKUST-1 metal-organic framework" The Journal of Physical Chemsitry C 2021 125 (40) 22295–22300 (Journal cover) (Impact-factor: 4.126 ) DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c06503

18. Laouini, S.E.; Bouafia, A.; Soldatov, A.V.; Algarni, H.; Tedjani, M.L.; Ali, G.A.M.; Barhoum, A. "Green Synthesized of Ag/Ag2O Nanoparticles Using Aqueous Leaves Extracts of Phoenix dactylifera L. and Their Azo Dye Photodegradation" Membranes 2021 11 (7) 468 (Impact-factor: 4.106 ) DOI: 10.3390/membranes11070468  

19. K.G. Abdulvakhidov, A.V. Soldatov, I.P. Dmitrenko, Li Zhengyou, S.N. Kallaev, Z. Omarov "The influence of the structural defects on the physical properties of Er3Fe5O12 ferrite-garnet" Results in Physics 2021 22 103905 (Impact-factor: 4.019 ) DOI: 10.1016/j.rinp.2021.103905  

20. D.M. Pashkov, A.A. Guda, M.V. Kirichkov, S.A. Guda, A.Martini, S.A. Soldatov and A.V. Soldatov "Quantitative Analysis of the UV–Vis Spectra for Gold Nanoparticles Powered by Supervised Machine Learning" J. Phys. Chem. C 2021 125 (16) 8656–8666 (Impact-factor: 4,189 ) DOI: 10.1021/acs.jpcc.0c10680

21. A. Martini, A. A. Guda, S.A. Guda, A.L. Bugaev, O. V. Safonova and A.V. Soldatov "Machine learning powered by principal component descriptors as the key for sorted structural fit of XANES" Physical Chemistry Chemical Physics 2021 23 17873–17887 (Impact-factor: 3.676 ) DOI: 10.1039/D1CP01794B

22. Oleg O. Kartashov, Andrey V. Chernov, Dmitry S. Polyanichenko, Maria A. Butakova "XAS Data Preprocessing of Nanocatalysts for Machine Learning Applications" Materials 2021 14 (24) 7884 (Impact-factor: 3.623 ) DOI: 10.3390/ma14247884  

23. Moguchikh, E. A., Paperzh, K. O., Alekseenko, A. A., Gribov, E. N., Tabachkova, N. Yu, Maltseva, N., V, Tkachev, A. G., Neskoromnaya, E. A., Melezhik, A., V, Butova, V. V., Safronenko, O., I, Guterman, V. E. "Platinum nanoparticles supported on nitrogen-doped carbons as electrocatalysts for oxygen reduction reaction" JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY 2021 (Impact-factor: 2,8 ) DOI: 10.1007/s10800-021-01629-y  

24. Kamaludin Abdulvakhidov, Alexander Soldatov, Bashir Abdulvakhidov, Sadyk Sadykov, Ivan Dmitrenko, Zhengyou Li, Alexander Nazarenko, Marina Sirota & Marina Vitchenko "Synthesis and physical properties of the ferroelectromagnetic composites (1 − x)PbMn1/3Ta2/3O3–xPbTiO3" Applied Physics A 2021 127 426 (Impact-factor: 1.81 ) DOI: 10.1007/s00339-021-04567-w  

25. A. Yu. Pnevskaya, E. G. Kozyr, B. J. F. Al-Jaf, O. A. Usoltsev "First Principal Simulation of Palladium Nanocatalysts Surfaces" Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques 2021 15 1270–1277 (Impact-factor: 0.594 ) DOI: 10.1134/S102745102106015X

26. Ethiraj A.S, Rhen D.S., Soldatov A.V., Ali G.A.M.,Bakr Z.H. "Efficient and recyclable Cu incorporated TiO2 nanoparticle catalyst for organic dye photodegradation" International Journal of Thin Film Science and Technology 2021 10 (3) 169 - 182 DOI: 10.18576/ijtfst/100306

27. Kirsanova D.Y.,Soldatov M.A.,Gadzhimagomedova Z.M.,Pashkov D.M.,Chernov A.V.,Butakova M.A.,Soldatov A.V. "On the Technologies of Artificial Intelligence and Machine Learning for 2D Materials" Journal of Surface Investigation 2021 15 (3) 485 - 494 DOI: 10.1134/S1027451021030113  

28. W. Zhang, P. He, C. Wang, T. Ding, T. Chen, X. Liu, L. Cao, T. Huang, X. Shen, O. A. Usoltsev, A. L. Bugaev, Y. Lin, and T. Yao "Operando evidence of Cu+ stabilization via single-atom modifier for CO2 electroreduction" Journal of Materials Chemistry A 2020 8 25970-25977 (Impact-factor: 12.732 ) DOI: 10.1039/D0TA08369K

29. Usoltsev, O. A.; Pnevskaya, A. Y.; Kamyshova, E. G.; Tereshchenko, A. A.; Skorynina, A. A.; Zhang, W.; Yao, T.; Bugaev, A. L.; Soldatov, A. V. "Dehydrogenation of ethylene on supported palladium nanoparticles: A double view from metal and hydrocarbon sides" Nanomaterials 2020 10 (9) 1643 (Journal Cover) (Impact-factor: 5.076 ) DOI: 10.3390/nano10091643

30. Andrei Tereshchenko, Alexander A. Guda, Vladimir Polyakov, Yury V. Rusalev, Vera Butova and Alexander V Soldatov "Pd nanoparticles growth monitored by DRIFT spectroscopy of adsorbed CO" Analyst 2020 145 7534-7540 (Impact-factor: 3.978 ) DOI: 10.1039/D0AN01303J

31. Gomaa Khabiri, Abdelaziz M. Aboraia, S Omar, Malak Soliman, Asmaa M.A. Omar, Mikhail V Kirichkov and A V Soldatov "The enhanced photocatalytic performance of SnS2@MoS2 QDs with highly-efficient charge transfer and visible light utilization for selective reduction of mythlen-blue" Nanotechnology 2020 31 475602 (Impact-factor: 3.551 ) DOI: 10.1088/1361-6528/aba212  

32. Reshetnikova, E.A., Lisnevskaya, I.V., Zalyubovskaya, E.A., Butova, V.V., Soldatov, A.V. "The Effect of Hydrothermal Synthesis Parameters on the Formation of Sodium Bismuth Titanate" Comments on Inorganic Chemistry 2020 40 (6) 314-326 (Impact-factor: 3.333 ) DOI: 10.1080/02603594.2020.1813728

33. Abdelaziz M. Aboraia, Viktor V. Shapovalov, Alexnader A. Guda, Vera V. Butova and Alexander Soldatov "One-pot coating of LiCoPO4/C by a UiO-66 metal–organic framework" RSC Advances 2020 10 35206-35213 (Impact-factor: 3.119 ) DOI: 10.1039/D0RA05706A  

34. Vladimir A. Polyakov, Vera V. Butova, Elena A. Erofeeva, Andrei A. Tereshchenko and Alexander V. Soldatov "MW Synthesis of ZIF-7. The Effect of Solvent on Particle Size and Hydrogen Sorption Properties" Energies 2020 13 (23) 6306 (Impact-factor: 2.702 ) DOI: 10.3390/en13236306