Реферат: Название: Создание новых полимерных композиционных материалов на основе комплексов содержащих графеноподобные структуры и полупроводниковые квантовые точки

N-010-IPCP-1

Паспорт совместного российско-американского проекта


Название:

Создание новых полимерных композиционных материалов на основе комплексов содержащих графеноподобные структуры и полупроводниковые квантовые точки


Аннотация

Совместный проект ИПХФ РАН, НЦЧ РАН (Россия) – ORNL (USA)

Развитие научных основ синтеза новых функциональных материалов является одной из основных целей для многих научно-исследовательских учреждений по всему миру. Актуальные вопросы, такие как непрерывный рост потребления энергии и, соответственно, рост выбросов в атмосферу разного рода загрязнений, диктуют необходимость поиска альтернативных способов генерации и хранения энергии, увеличения эффективности его использования и транспортировки, сокращение выбросов газов и улавливания углерод-содержащих загрязнений. Объединение усилий различных исследовательских групп, их опыта работы в этих областях позволит существенно ускорить достижение поставленных целей. Предлагаемое сотрудничество США и России в области чистой энергетики являются первым шагом в объединении усилий двух стран в решении этих глобальных проблем. В последние годы большое внимание уделяется материалам на основе графена в связи с их многосторонней перспективой использования в различных областях, начиная от наноэлектроники, катализа и заканчивая антибактериальными препаратами. Оксид графена (ОГ) – модифицированный функциональными группами графен - в зависимости от условий синтеза может обладать свойствами как полупроводника (с шириной запрещенной зоны от нескольких десятых долей эВ до нескольких эВ) так и диэлектрика, в связи с чем, имеет широкие перспективы использования в качестве компонент для создания светодиодов и устройств преобразования солнечной энергии. Принимая во внимание дешевизну ОГ, легкость синтеза, простоту в обращении и способность восстанавливаться, многие ученые предполагают его использование для получения чистого графена и композитов на его основе. В последний год (2010) также появились работы, в которых к оксиду графена химически присоединяют фуллерены, металлические и суперпарамагнитные наночастицы. Такие комплексы наряду с оксидом графена с присоединенными полупроводниковыми квантовыми точками (КТ) представляют интерес, так как могут существенно оптимизировать разделение зарядов и проводимость в электролюминесцентных приборах и солнечных батареях. В то же время, несмотря на громадный интерес не до конца ясны вопросы межфазного взаимодействия ОГ с различными полимерными матрицами и влияние его на структурные, проводящие, оптические свойства композитов. Исследование комплексов ОГ/КТ, а также полимерных композитов на их основе пока не проводились, либо находятся на стадии изучения, т.к. литературные данные отсутствуют. В то же время для практического использования таких соединений важно знать наличие межфазного взаимодействия этих комплексов с различными полимерными матрицами ввиду возможного тушения люминесценции, возникновения условий эффективного разделения зарядов и т.д. Работа, предложенная в рамках настоящего проекта, сочетает в себе опыт в синтезе полимеров, их аттестации различными современными методами в Oak Ridge National Laboratory (ORNL) и опыт в синтезе и модификации оксида графена (ОГ), квантовых точек (КТ) в Институте проблем химической физики Российской Академии Наук (ИПХФ РАН) в Черноголовке для разработки новых полимерных материалов, которые можно использовать в области чистой энергетики. Совместные усилия будут сосредоточены на развитии фундаментальных знаний о характере взаимодействия полимеров с наночастицами и использования этих знаний для разработки и синтеза новых полимерных композиционных материалов с заданными свойствами, в том числе, среди прочего, получение «легких» материалов с уникальными механическими и электрическими свойствами. Целью работы является создание композиционных полимерных материалов с заданными свойствами для хранения энергии, преобразования солнечной энергии и улавливания углеродных загрязнений.


^ Описание предполагаемых результатов реализации проекта

В рамках проекта будут получены полимерные материалы на основе поливинилбутираля, поливинилового спирта, полиэтиленгликоля, полиметилметакрилата, полиацетилена, полианилина и ряда других полисопряженных полимерных матриц, содержащих графен и ОГ в различных процентных соотношениях. Будут исследованы фазовые превращения и термическая стабильность (температура стеклования, кристаллизации, деструкции в зависимости от процентного содержания графеновой присадки), механические (испытания на растяжение, изгиб, сжатие в широком интервале температур), электропроводящие, оптические, релаксационные свойства. Ожидается, что введение графеновой присадки в полимер приведет к увеличению термической стабильности, снижению температуры стеклования, улучшению прочностных характеристик, появлению электропроводности у непроводящих полимеров, и приближению электропроводности полиацетилена к электропроводности металлов. В целях исследования фотостарения полученных материалов, будет изучено влияние ультрафиолетового облучения на структуру и свойства образцов полимер-ОГ в зависимости, как от времени экспозиции, так и процентного содержания наноуглеродной присадки. По результатам работы будет дана оценка возможности прикладного применения полученных полимерных материалов с графеновой присадкой

Будут получены образцы оксида графена, а также графена восстановленного тремя различными способами (термо-, фото- и химическим восстановлением). Получены комплексы на основе полупроводниковых квантовых точек и оксида графена, а также полимерные композиты на их основе. Будут получены результаты по исследованию изменения оптических спектров поглощения тонких полимерных пленок на основе оксида графена, графена и систем ОГ/КТ нанесенных на кварцевую подложку из водных или органических суспензий. Будут получены научные и практические данные о влиянии комплексов ОГ/КТ на эффективность разделения зарядов и преобразования солнечной энергии. Будут созданы простейшие солнечные элементы и светодиоды. По результатам работы будет дана оценка перспективности создания устройств на основе комплексов, содержащих графеноподобные структуры и полупроводниковые КТ.


^ Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в настоящее время (не более 5 аналогов)

Проекты, выполняемые в Oak Ridge National Laboratory (ORNL), США:

DOE Office of Basic Energy Sciences (BES), Materials Sciences and Engineering project titled “Polymer-Based Multicomponent Materials” (ERKCC02) и др.


Совместный российско-американский грант РФФИ в рамках программы Clean Energy (Институт проблем химической физики РАН - Oak Ridge National Laboratory (ORNL), США)


^ Новизна, описание конкурентных преимуществ результатов Предлагаемый проект включает новые патентоспособные полимерные композиционные материалы на основе ОГ и других графенсодержащих комплексов для различных приложений.




^ Кто является потенциальным потребителем результатов

В РФ: компании топливно-энергетического комплекса; Минэнерго, компании специализирующиеся на создании конструкционных материалов.

В США: Департамент энергетики (DOE), частные компании топливно-энергетического комплекса.



^ Где, когда и какой эффект, в т.ч. экономический, ожидается от использования результатов проекта

Полученные в ходе данной работы композиционные материалы представляются весьма перспективными для практического применения. Ожидается, что внедрение графена, ОГ в такие конструкционные полимеры как ПММА и др. позволит улучшить их прочностные свойства. Предполагается, что композиты на основе полисопряженных полимеров и комплексов ОГ/КТ могут быть востребованы для создания устройств преобразования солнечной энергии и электролюминесцентной техники. Учитывая, что прозрачные проводящие пленки используются во многих современных технологических устройствах, таких как солнечные батареи, ЖК и плазменные мониторы, сенсорные экраны, и т.д. перспективными представляются тонкие полимерные пленки наполненные графеном. Также, беря во внимание тот факт, что в настоящий момент существует необходимость в замене ITO (популярный прозрачный проводник – твердый раствор диоксида олова в оксиде индия) из-за высокой стоимости и ограниченности добычи индия, благодаря своим превосходным электрическим, механическим и химическим свойствам графен становится привлекательным объектом для применения в гибкой электронике.


Предполагаемые организации – участники консорциума по профилям: научные, образовательные, бизнес. Контактная информация руководителей проекта в каждой организации и общего координатора

Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН), руководитель проекта – зам. директора, член-корр. РАН Разумов В.Ф., razumov@icp.ac.ru



Научный центр в Черноголовке РАН (НЦЧ РАН), руководитель проекта – руководитель группы, к.х.н. Шульга Ю.М. shulga@icp.ac.ru


Oak Ridge National Laboratory (ORNL), США http://www.ornl.gov/, руководитель проекта - Prof. A.P. Sokolov (A.P.- PI, ORNL-University of Tennessee (UT) Governor’s Chair), sokolov@utk.edu


Общий координатор проекта - зам. директора ИПХФ РАН, член-корр. РАН Разумов В.Ф.


^ Описание вклада каждой организации в итоговый результат.

ИПХФ РАН: синтез ОГ, графена, и получение комплексов ОГ/КТ и композитов ОГ/КТ/полимер. Все полученные образцы будут исследованы широким набором физико-химических методов анализа:

- Будет проведен масс-спектральный анализ газов, выделяемых ОГ при термическом и фотовосстановлении в зависимости от температуры нагрева и времени экспозиции в УФ-свете.

- Анализ функциональных групп ОГ планируется осуществлять ИК-спектральным методом анализа и методом КРС.

- Микроскопический анализ частиц оксида графена до и после восстановления будет выполнен с помощью сканирующей электронной микроскопии.

- С помощью калориметрических измерений будут определены температуры стеклования и фазовые переходы полученных композитов.

- Элементный анализ ОГ на С, О, Н и N до и после его восстановления планируется выполнять с помощью C, Н, N, S -анализатора Vario-MICRO “CUBE”.

- Изменение межплоскостных расстояний в восстановленном различными методами ОГ будет оцениваться из данных рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН АДП-1).

- Для коллоидных растворов комплексов ОГ/КТ, а также полимерных композитов на их основе будут получены оптические спектры поглощения, люминесценции (спектрометр HR2000/HR4000, Ocean Optics, cпектрофотометр UV3010PC, SHIMADZU), что позволит сделать выводы о перспективности использования их в электролюминесцентных устройствах и устройствах преобразования энергии.

НЦЧ РАН: исследование полученных комплексов и композитов различными современными физико-химическими методами. Изменение морфологии, изменения ширины запрещенной зоны отдельных листов оксида графена в процессе восстановления, будет измеряться с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Также методами СТМ и АСМ будет изучена морфология, ширина запрещенной зоны, проводящие свойства комплексов ОГ/КТ. Изменение состава функциональных групп на поверхности частиц оксида графена в процессе его восстановления, а также комплексов ОГ/КТ будет выполнен методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

^ ORNL (Soft Matter Group): синтез уникальных полимерных матриц, создание и исследование композитов ОГ/полимер, графен/полимер, ОГ/КТ/полимер.

Методами нейтронного рассеяния и широкополосной диэлектрической спектроскопии будет исследовано влияние ОГ и комплексов ОГ/КТ на релаксационные, емкостные, проводящие, структурные свойства композитов. Для исследования образцов, если возникнет необходимость, будут привлечены и другие методы анализа. Значимой частью настоящего проекта будет являться получение тонких прозрачных пленок из восстановленных частиц оксида графена на различных подложках и исследование их электропроводящих свойств.


^ Преимущества от участия иностранных организаций

Группа из ORNL имеет обширный опыт в синтезе и исследовании полимерных нанокомпозитов, в том числе композитов с углеродными нанотрубками (УНТ), ОГ и графеном, а также в области синтеза уникальных полимеров с перестраиваемым взаимодействием с углеродными наночастицами. Эти исследования поддерживаются Министерством энергетики США и другими организациями. Объединяя опыт и усилия обеих участвующих в проекте групп, можно получить новые фундаментальные знания, которые можно будет применить для эффективного проектирования современных материалов для различных приложений в энергетических технологиях.

Сочетание достижений в области синтеза и исследовании КТ, ОГ и графен содержащих полимерных композитов (российская сторона), и достижений в синтезе уникальных полимерных матриц и композитов на их основе, а также материально-технической базы и огромного опыта в исследовании и практической реализации полученных результатов (американская сторона), гарантирует положительный синергетический эффект от совместного сотрудничества.


^ Потенциальные иностранные участники проекта, которые могли бы внести существенный вклад в итоговый результат

Oak Ridge National Laboratory (Prof. Sokolov A.P.- PI, ORNL-University of Tennessee (UT) Governor’s Chair) (ORNL): http://www.ornl.gov/ (Oak Ridge National Laboratory P.O. Box 2008 Oak Ridge, TN 37831 U.S.A


^ Краткая предыстория формирования проекта

ИПХФ РАН имеет признанную репутацию в области синтеза и исследований полимерных композитов, систем для преобразования солнечной энергии в мире и в России.

С партнерами из США ведется совместная работа, начиная с 2010 г., получил поддержку совместный грант РФФИ в рамках программы Clean Energy по схожей тематике.


^ Предварительный план подготовки и реализации проекта (основные вехи) по каждой организации, включая координационные мероприятия

Проект рассчитан на 3 года:

1 этап: (РФ партнер) – синтез ОГ, комплексов ОГ/КТ. Лабораторные исследования физико-химических свойств полученных комплексов, процессы фотовосстановления ОГ до графена.

(США партнер) – исследование полимерных композитов на основе ОГ – оптических, электрических, механических свойств. Исследование процессов восстановления ОГ до графена в различных полимерных матрицах.

2 этап: (РФ партнер) – исследование физико-химических свойств полимерных композитов на основе комплексов ОГ/КТ.

(США партнер) – синтез и исследование свойств и межфазных взаимодействий в композиционных полимерных материалах на основе комплексов ОГ/КТ.


Объем финансирования (существующий и необходимый), включая предполагаемые источники и объемы софинансирования

Предполагаемый объем финансирования для Российской стороны: $2 000 000

Предполагаемый объем финансирования для Американской стороны: $2 000 000