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 13 публикаций с суммарным значением Impact-factor = 56.506

1. 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  

2. 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  

3. 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  

4. 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  

5. 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

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

7. 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: 11.301 ) DOI: 10.1039/D0TA08369K

8. 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: 4.324 ) DOI: 10.3390/nano10091643

9. 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

10. 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  

11. 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

12. 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  

13. 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