N-010-IPCP-1 Паспорт совместного российско-американского проекта 1. Название:

N-010-IPCP-1
Паспорт совместного российско-американского проекта
1. Название:
Создание новых полимерных композиционных материалов на основе комплексов
содержащих графеноподобные структуры и полупроводниковые квантовые точки
2. 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.
3. 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.
4. 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)
5. Новизна,
Предлагаемый
описание
конкурентных
проект
включает
новые
преимуществ
патентоспособные
результатов
полимерные
композиционные материалы на основе ОГ и других графенсодержащих комплексов
для различных приложений.
6. 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 топливноэнергетического комплекса.
7. 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.
8. 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.
9. 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 физикохимических 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.
10. 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 материальнотехнической базы и огромного опыта в исследовании и практической реализации
полученных результатов (американская сторона), гарантирует положительный
синергетический эффект от совместного сотрудничества.
11. 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
12. 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.
13. 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.
14. 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