ИФХЭ РАН

Органические полимеры на основе порфиринилфосфанатов, стабилизированнеы водородными связями (HOF) / © ИФХЭ РАН

Получен новый органический каркасный полимер (HOF), стабилизированный водородными связями, на основе тетра-мезо-(4-фосфонатофенил) порфирината палладия HOF-IPCE-1Pd. Обнаружена возможность обмена диметиламмонийных противо-ионов в составе каркаса на аммонийные катионы, что приводит к увеличению протонной проводимости до одного из наивысших значений для HOF на основе порфиринов. Органические полимеры, стабилизированные водородными связями, обладающие высокой кристалличностью, простой процедурой синтеза и легкой регенерацией, могут быть использованы в качестве протон-проводящих материалов в топливных элементах.

Зависимости избыточной свободной энергии смешения (ΔG^exc) от мольной доли Tween 60 (XT60) в смешанном бинарном монослое Span 80/Tween 60 (0,4/0,6) при различных значениях поверхностного давления / © ИФХЭ РАН

Исследования были направлены на развитие стратегических подходов, обеспечивающих самосборку коллоидных наноструктур повышенной стабильности на основе инженерных везикул (ниосом) и их использование для решения задач по целевой транспортировке функциональных материалов, в частности, по адресной доставке лекарственных препаратов и генетических материалов в клетки и ткани. Впервые проведены сравнительные исследования ленгмюровских монослоев бинарных и тройных (с холестерином) смесей неионогенных ПАВ (планарные системы) и ниосомальных наноструктур, собранных из тех же материалов.

Отношение электропроводности водного раствора NaCl к его электропроводности при бесконечном разбавлении. Символы соответствуют экспериментальным данным. Сплошной линией показаны расчёты по новой формуле, пунктирной – по уравнению Онзагера / © ИФХЭ РАН

Классический формализм решения электрокинетической задачи сферических коллоидов был распространен на случай ионов, для которых введено понятие дзета-потенциала. Показано, что дзета-потенциал иона зависит от его гидродинамического радиуса и концентрации соли в растворе. Связав дзета-потенциал с электрофоретической подвижностью иона, мы получили простое выражение для электропроводности раствора соли, которое хорошо работает и для концентрированных растворов (вплоть до 3 моль/л). Теоретические вычисления находятся в очень хорошем соответствии с опубликованными экспериментальными данными для растворов одновалентных электролитов. В сильноразбавленных (миллимолярных) растворах наша формула воспроизводит классическое уравнение Онзагера.

Исследована возможность восстановления окон из кварца и сапфира в действующих и строящихся токамаках (ИТЭР), для которых в результате нейтронного облучения понижается светопропускание. Показано, что с помощью их экспозиции в ВЧ разряде дейтерия или отжига в вакууме 10^-3 Па при температурах 20–840 ^оС можно восстановить светопропускание.

Влияние структурного состояния оксидов на их оптическую стабильность при плазменном воздействии

При максимальной температуре нагрева 840 о С светопропускание кварца восстановилось полностью в диапазоне длин волн 400 – 1050 нм, а сапфира только в диапазоне 900 – 1050 нм. При длинах волн менее 800 нм светопропускание сапфира все еще оставалось пониженным на 5%
при 700 нм и на 10% при 400 нм.

Синтезированы новые высокоактивные активированные угли и металлорганические каркасные структуры на основе отечественного сырья для разработки новых технологий аккумулирования природного газа на автомобильном транспорте, в мобильных системах доставки газа удаленным потребителям, наземных адсорбционных хранилищах и др. Проводятся испытания новых адсорбционных аккумуляторов природного газа для отечественных автомобилей завода АвтоВАЗ.

Зависимости избыточной свободной энергии смешения (ΔGexc) от мольной доли Tween 60 (XT60) в смешанном бинарном монослое Span 80/Tween 60 (0,4/0,6) при различных значениях поверхностного давления / © ИФХЭ РАН

Решение фундаментальной проблемы, связанной с установлением взаимосвязей химической структуры, надмолекулярной и фазовой организации полимерных систем и полимерных композиционных материалов с локальными по температуре диссипативными процессами, имеющими различные механизмы внутреннего трения (гистерезисный, релаксационный, фазовый) и установление влияния различных видов и доз облучения на данные взаимосвязи.

Проведены экспериментальные исследования и теоретический анализ влияния различных видов и доз облучения исследуемых систем (термоциклирование, УФ и СВЧ, гамма, бетта, нейтронным воздействием) на физико-химические и физико-механические характеристики как отдельных диссипативных процессов для каждой структурно-кинетической подсистемы, так и всей исследуемой системы в целом в широком интервале температур и динамическом режиме внешнего воздействия.

Впервые доказано, что электронно-лучевая обработка мутагенных органических соединений с сопряженными связями приводит к полному устранению мутагенности (уменьшению мутагенной активности до уровня спонтанного мутагенеза). Для окрашенных соединений снижение окраски, токсичности и мутагенности происходит параллельно и обусловлено одними и теми же радикальными процессами. Обезвреживание состоит из одной, радиолитической, стадии и не требует специальной подготовки раствора, что привлекательно с точки зрения использования электронно-лучевой обработки в крупнотоннажной очистке сточных вод. На сегодня это единственный практический способ необратимого устранения мутагенности.

Мутагенность (число His+ ревертантов на чашку Петри) раствора Е124 до и после облучения (1.5 кГр) по отношению к трем штаммам Salmonella typhimurium. НК - отрицательный контроль (дистиллированная вода); ПК – положительный контроль (2-аминоантрацен); а - без метаболической активации; б - с метаболической активацией. *- отличается от НК (уровень значимости p < 0.05); ** - отличается от необлученного E124 (p < 0.05) и не отличается от НК (p > 0.05) / © ИФХЭ РАН

Вследствие малой концентрации красителя, его радиолитические превращения происходят по механизму косвенного действия излучения, т. е. в реакциях с радикалами, генерируемыми за счет радиолиза воды. Исходный раствор Е124 проявляет мутагенную активность. В присутствии активирующей фракции S9 печени крысы, Е124 вызывает мутации в двух протестированных штаммах, ТА98 и ТА100. Однако электронно-лучевая обработка раствора Е124 при дозе 1.5 кГр снижает его мутагенную активность до уровня спонтанного мутагенеза. Происходит деградация хромофорной системы с отщеплением соединительного мостика и боковых заместителей за счет радикального присоединения новой функциональной группы ОН, энергия связи которой выше, чем у сульфогрупп и диазомостика.

Комплексом ускоренных коррозионных, электрохимических и физических методов исследованы особенности камерной защиты цинка этилгексановой кислотой (ЭГК). Показано, что оптимальными условиями камерной обработки цинка ЭГК являются температура 100 ^оС и продолжительность 1 час. В этих условиях на цинке формируются поверхностные пленки основной соли C₄H₉-CH(C₂H₅)-COO-Zn-OH толщиной до 100 нм. После извлечения цинка из камеры и выдержки его на открытом воздухе основная соль дегидратируется и превращается в соединение формулы C₄H₉-CH(C₂H₅)-COO-Zn-O-ZnOOC-СН(C₂H₅)-C₄H₉, ответственное за защиту металла. 

Влияние выдержки цинковых электродов на воздухе после КО ЭГК на анодное поведение металла. Исходное состоянии металла (1), цинк после термообработки без ингибитора (2) и после КО в парах ЭГК при временах выдержки на воздухе 1 ч (3), 5 ч (4), 24 ч (5) и 72 ч (6) / © ИФХЭ РАН

Поверхностные слои, формируемые на цинке при его камерной обработке ЭГК и последующей выдержки на воздухе пассивируют металл и стабилизируют его пассивное состояние. Их действие связано, как с экранированием поверхности от воздействия коррозивной среды, так и с торможением коррозионных процессов на активной поверхности металла.

Разработаны подходы к формированию на поверхности металлов тонких (наноразмерных) пленок органических соединений, обеспечивающих длительную защиту в атмосферных условиях различной коррозивности, в том числе за счет придания поверхностям супергидрофобных свойств.

Формирование тонких слоёв органических соединений на поверхности металлов и сплавов является эффективным, экономичным и экологически безопасным методом защиты от атмосфрной коррозии при хранении, транспортировке и эксплуатации металлических изделий. Повышение гидрофобности таких слоев или придание им супергидрофобных свойств за счет сочетания с особой морфологией поверхности позволяет существенно увеличить длительность защиты.

Фотографии образцов сплава Д16 после 2 лет натурных испытаний на Московской коррозионной станции / © ИФХЭ РАН

Согласно результатам коррозионных испытаний супергидрофобных покрытий, полученных на текстурированных лазером образцах Мг90, наилучшие защитные свойства были получены с использованием октадецилфосфоновой кислоты (ОДФК). Двухстадийная модификация Мг90 с использованием более доступной, чем ОДФК, стеариновой кислоты (СК) и винилтриметилсилана (ВТМС) практически не уступает в эффективности ОДФК. На текстурированной лазером поверхности алюминиевого сплава Д16 пленки ОДФК обеспечивали наиболее высокую стабильность супергидрофобных свойств в условиях натурных испытаний: после 2 лет выдержки образцов в жалюзийной будке значения краевых углов снизились незначительно, коррозия сплава отсутствует.

Сконструирован литиево-кислородный Li-O₂(воздух) аккумулятор, состоящий из литиевого анода и бифункционального воздушного электрода, теоретически достижимая удельная энергия которого близка к таковой для бензина и более чем в пять раз превышающей параметры коммерческих литий-ионных батарей.

 Литиево-кислородный Li-O₂(воздух) аккумулятор  / © ИФХЭ РАН

Реализованы два пути повышения удельной энергоемкости. Во-первых, использование активного слоя положительного электрода из углеродных нанотрубок c большим числом функциональных групп и развитой пористостью при проведении процесса в электролите на основе диметилсульфоксида (ДМСО). В электроде из углеродных нанотрубок диоксид лития Li₂O₂ образуется в порах. Он не покрывает поверхность электрода полностью, поэтому её часть свободна для переноса электрона, что обеспечивает пятикратный рост ёмкости и высокую обратимость. Во-вторых, введение в электролит редокс-медиатора облегчает анодный процесс окисления пленки Li₂O₂ и приводит к увеличению в четыре раза количества циклов зарядки-разрядки для литиево-кислородного аккумулятора при плотности тока 500 А/кг и ёмкости 500 А*ч/кг (1,3 кВт*ч/кг).

Разработана новая электрохимическая система для натрий-ионных аккумуляторов, основанная на использовании композита из марганце-железофосфата натрия типа маричита с углеродом (NaFe_0.5Mn_0.5PO₄/C) в качестве активного материала для положительного электрода и волокнистых наноструктур германия, получаемых электролизом водного раствора, в качестве активного материала отрицательного электрода.

Новая электрохимическая система для натрий-ионных аккумуляторов / © ИФХЭ РАН

Теоретическая удельная энергия натрий-ионного аккумулятора предложенной электрохимической системы в расчёте на массу активных материалов составляет около 310 Втч/кг. Практическая удельная энергия лабораторного макета составила 245 Втч/кг, что является высоким показателем для натрий-ионных аккумуляторов. Новая электрохимическая система представляет собой перспективную основу для существенного усовершенствования натрий-ионных аккумуляторов.