ИФХЭ РАН

Председатель секции «Химия и технология радиоактивных элементов, радиоэкология» член-корреспондент РАН, профессор Ершов Борис Григорьевич рассказал о наиболее значимом результате работы секции в прошедшем году — впервые в мире удалось синтезировать и охарактеризовать полиоксотехнитат.

Более 70 лет в научных кругах обсуждалась возможность существования такого соединения, и, наконец, эта концепция была доказана. Над проектом работали три лаборатории ИФХЭ РАН, а также коллективы ученых из США и Франции.

ИФХЭ РАН уже многие десятилетия занимает ведущие позиции в области изучения и синтеза трансурановых элементов в различных степенях окисления методами рентгеновской диффракции, EXAFS, рентгенофазного и квантово-химического анализа. Эти работы продолжались и будут продолжаться.

Среди фундаментальных исследований, проводившихся в лабораториях секции, - работы по развитию концепции о важной роли природной радиоактивности в химической эволюции ранней Земли. Расчеты показали, что радиоактивный распад был источником энергии, который позволил преобразовать неорганическое вещество Земли в органическое вещество. В 2021 году были проведены работы по изучению окисления двухвалентного железа в Мировом океане, без чего была невозможной перестройка анаэробной жизни в аэробную.

Другой перспективный проект секции – разработка концепции по созданию мощных установок на основе электронных ускорителей, которые могут быть использованы для получения водородного топлива из углеводородов. Показано, что на установке мощностью 1 МВт можно получать ежегодно около 750 тыс.кубометров водорода и свыше 3200 тонн высокооктанового бензина.

По направлению технологических аспектов химии радиоактивных элементов ведутся работы по созданию и совершенствованию инновационных методов переработки отработанного ядерного топлива, обращения с ядерными отходами и их безопасного хранения (включая кондиционирование, отверждение и захоронение в пласты-коллекторы). Успешно продолжаются работы по совершенствованию методик создания камнелитных матриц на основе базальта, которые могут конкурировать и заменять традиционные стеклоподобные матрицы. Прорывные достижения в области конверсии оксидов урана, плутония и нептуния в ионизирующей атмосфере позволяют говорить о создании новых технологических решений. Совершенствуются экстракционные методы в процессах конверсии, концентрирования и выделения радиоактивных и редкоземельных элементов и скандия.

Председатель секции «Поверхностные явления в коллоидно-дисперсных системах, адсорбция и физико-химическая механика» академик РАН Бойнович Людмила Борисовна рассказала, что в 2021 году в секции было получено 3 патента на изобретения, один из которых вошел в сотню лучших патентов России.

Завершена работа по созданию автомобилей с бортовым аккумулятором природного газа.

Созданы покрытия на поверхности магниевого сплава, проявляющие противокоррозионную стойкость в хлоридсодержащих растворах и высокую бактерицидную активность по отношению к патогенам. Исследования поверхности после контакта с биологическими средами показали, что на поверхности сплава формируется структура из микро- и наностержней смешанных фосфатов магния, натрия и калия. Эти стержни интенсивно сорбируют бактериальные клетки. Кроме того, в результате химического взаимодействия магния с биологическими средами создается высокощелочная среда, также проявляющая антибактериальную активность.

Были оптимизированы параметры пористых углей для поглощения фреона, сероуглерода и ряда других экотоксикантов.

Обнаружено, что дефекты смещений, генерируемые в вольфраме путем облучения образцов высокоэнергетическими электронами (10 МэВ), способны значительно увеличивать содержание дейтерия в вольфраме уже при небольшом уровне повреждений.

Исследовано влияние добавок оксида кремния и титана на величину и знак дзета-потенциала гетерогенной катионообменной мембраны с кислыми и основными функциональными группами.

При исследовании кинетики превращений композиционных порошков на основе алюминия и бора на низкотемпературной стадии процесса обнаружена новая метастабильная фаза, которая устойчива до температуры 600 градусов. На высокотемпературной стадии образуется термодинамически равновесный дибарит алюминия.

Наиболее интересный результат, с точки зрения членов секции, состоял в том, что методами хромато-масс-спектрометрии были решены две актуальные задачи экологии: выявление возможных антропогенных причин гибели морских организмов в Авачинской бухте и исследование источников загрязнений Арктических территорий.

Научный руководитель направления и председатель секции «Электрохимия» доктор химических наук Андреев Владимир Николаевич рассказал о создании новых катализаторов на основе углеродных нанотрубок, допированных азотом. При испытаниях в щелочных топливных элементах эти катализаторы не уступают платине. Повышение активности новых катализаторов объясняется природой и количеством синтезированных на поверхности кислород- и азотсодержащих групп: кислородсодержащие группы увеличивают площадь электрохимически активной поверхности, а азотсодержащие еще больше усиливают каталитический эффект.

Создан наноразмерный катализатор для водородо-воздушного топливного элемента, удельная активность которого больше, чем у платинового.

Использование органических добавок расширило диапазон работы литий-ионного аккумулятора до -55 градусов.

Проводились работы по использованию германиевых анодов для литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторов. Использование фосфида германия позволит увеличить энергоемкость аккумуляторов в 1.8 раза по сравнению с коммерческими литий-ионными аккумуляторами. С помощью органических добавок в стандартный электролит удалось почти полностью устранить необратимые процессы по пассивации германия и снизить деградацию анода в ходе зарядки-разрядки.

Разработаны новые пленочные фотоаноды на основе нанокристаллического диоксида титана, легированного ионами трехвалентного висмута.

Расчеты, проведенные в рамках теории упругости жидких кристаллов, адаптированной к липидным мембранам, позволили сделать шаг к пониманию природы болезни Альцгеймера. Выяснилось, что наличие упорядоченных липидных доменов в мембранах нейрональных клеток приводит к тому, что бета-амилоидам выгодно собираться на их границах. При этом они вытесняют оттуда ганглиозид, из-за чего он формирует твердые домены, и целостность нейрональных клеток нарушается.

Заместитель председателя секции «Химическое сопротивление материалов, защита металлов и других материалов от коррозии и окисления» доктор химических наук, профессор Кузнецов Юрий Игоревич рассказал о продолжении работы над совершенствованием ранее предложенного метода камерной защиты металлов от атмосферной коррозии. При этом защищаемое изделие в закрытой камере при повышенной температуре обрабатывается парами нетоксичных органических ингибиторов коррозии. На поверхности металла формируются тончайшие покрытия, длительное время - от нескольких месяцев до года – защищающие металл. Камерная обработка стали и меди способна гидрофобизировать поверхность, а в случае полимодальной поверхности металлов делает возможным её супергидрофобизацию.

Водный раствор пассиватора с последующей обработкой поверхности спирто(≤10%)-водным раствором силана в 2021 году был впервые использован для защиты цинка от коррозии.

Исследования импеданса (СЭИ) открыли возможность использовать избыточную свободную энергию агрессивной среды (3% NaCl) для образования пломбирующих продуктов в объеме композиционного покрытия и на самом металле. Это препятствует дальнейшему распространению коррозии и увеличивает длительность защитного эффекта.

Разработан СVD-метод покрытия меди вольфрамом (30 мкм). Такое покрытие хорошо смачивается жидким литием Li (при 6000С) и обладает высокой коррозионной стойкостью в нём, высокой теплопроводностью и устойчиво к термическим циклам. Жидкий литий защищает поверхность пластины дивертора токамака, улучшает свойства плазмы и в несколько раз увеличивает выход термоядерной энергии.

Обнаружен ранее неизвестный обратимый редокс-процесс на частично восстановленном адслое NO на поверхности Pt(111): NH3 ads – 1 e– ↔ NH2 ads + H+. Впервые показано наличие соадсорбции и взаимной стабилизации на поверхности (соадсорбционные комплексы) адсорбированных молекул NO и NH3, которое ранее наблюдали лишь в глубоком вакууме, но не в электрохимических условиях.

Ученый секретарь секции «Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем» доктор химических наук Котенев Владимир Анатольевич рассказал о ряде перспективных достижений лабораторий Секции в 2021 г.:

- разработан ряд новых эффективных методов синтеза новых макроциклических лигандов в ряду производных порфиринов, краун-эфиров, цикленов и фталоцианинов, изучения их физико-химических и биологических свойств.

- разработаны новые промышленно-доступные методы синтеза экстрагентов для селективного разделения близких по свойствам редких элементов.

- разработаны новые методы индуцированного интенсивным пластическим деформированием низкотемпературного синтеза N-мерных металл-оксидных и металл-оксид-полимерных наноструктур для использования в многоцелевых гибридных нанокомпозитах промышленного назначения.

- исследовано влияние УФ, СВЧ и электронного облучения на физико-механические характеристики ряда промышленных отвердителей эпоксидных смол, полимерных композитов, наполненных полимеров.

- при радиолизе ПВС электронным пучком обнаружена релаксационная неоднородность процессов релаксации. Для акриловых полимеров и гомо-полимеров исследована трансляционная подвижность макромолекул.

- методами химического и радиационно-химического синтеза в обратно-мицеллярных системах получены наноструктуры на основе Gе, Au и Pd для применения в полимерных и углеродных фоточувствительных матрицах; исследованы их морфология, оптические и адсорбционные свойства.

- синтезированы мезопористые частицы-контейнеры из кремнезема на гибридных темплатах-мицеллах мирамистина с солюбилизированным в них куркумином. Такие частицы перспективны для медицинского применения в повязках и на инфицированных ранах.

- изучено осаждение ансамблей аэрозольных частиц конечного размера на волокнах, покрытых нанопористыми слоями радиально ориентированных вискеров. Показана эффективность системы в решении задач нанофильтрации.

- изучен индуцированный светом диффузио-осмос: меняя длину волны и параметры светового пучка, можно изменять скорость, эффективность течения и характер взаимодействия со стенками пористых частиц в потоках наноканалов. Разработка может найти применение в биологии и медицине.

- получены эффективные органические многослойные ЭЛ структуры с белым спектром излучения на основе новых производных полифлуорена. Оптимизированы конструкции ячеек солнечных элементов, эффективность которых удалось увеличить примерно на порядок. Разработаны композиции на основе комплекса полианилина с поликислотой для функциональных слоев электрохромных устройств масштабируемым методом спрей-распыления.

Результат, представляемый секцией как наиболее интересный — изучена контролирующая роль поверхностного давления в процессах молекулярных переключений в монослоях тетрапиррольных соединений.