Новые многофункциональные материалы с каркасной структурой. Дизайн, синтез, характеризация, перспективы

Анализ имеющихся литературных данных позволил выделить актуальные направления фундаментального и прикладного материаловедения, которые нашли воплощение или развитие в данной работе. Объекты исследования системы с каркасными структурами: номинально чистые и модифицированные алюмосодержащие (HZSM-5, HBeta, HZSM-23), титансодержащие HZSM-5 (TS) и железосодержащие HZSM-5 (FS) цеолиты с разными силикатными модулями; металлорганические полимеры (MOFs) различного состава и их композиты с активированным углем и оксидом графена, а также номинальночистые и активированные ионом марганца монокристаллы Ca3(VO4)2 (CVO). Цель работы – получение и детальная характеризация новых высокоэффэффективных поликристаллических цеолитов и MOF разных композиций, монокристаллических CVO с каркасными 3D структурами универсального назначения с установлением природы активных центров, обеспечивающих управление структурной организацией. Этап 2: Новые железо- и титаносодержащие цеолиты HZSM-5 и HZSM-23, НMOR, НBETA, НY с разными силикатными модулями (Si/T: T= (Al,Ti), Ti, Fe) и другие каркасные структуры. Алюмо-, железо-, титансодержащие цеолиты и MOFs изучены методами рентгенографии, XAS, ИК-Фурье спектроскопии, БЭТ, РФЭС, РЭМ, ЭДС, ДСК, ТПД и UV-VIS спектроскопии в том числе с использованием приборной базы ЦКП «Структурная диагностика материалов» ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН. Изучены фотокаталитические, адсорбционные и антимикробные свойства нанокомпозитов на основе алюмосодержащих цеолитов с наноразмерными оксидами титана(IV) (наноразмерный анатаз – НА, h-фаза – НЕ), допированными ионами переходных металлов, и каталитические свойства номинально чистых и модифицированные алюмо- и железосодержащих цеолитов и титансиликалитов. Полученные результаты проанализированы с использованием кристаллохимических положений и литературных данных. Предложены новые фотокатализаторы, адсорбенты и антимикробные агенты на основе композимтов НA:M/цеолит и НЕ:M/цеолит. Установлено, что присутствие ионов титана в НА на поверхности цеолитов HZSM-5 улучшает каталитическую активность в превращении этанола и пропана (лучшие характеристики каталитических свойств получены на НА/HZSM-5(25) и НА/HZSM-5(40) соответственно). Аналогично, наносение наноразмерных оксидов железа (HOF) на цеолит HZSM-5, увеличивает степень конверсии этанола и пропана и смещает каталитический процесс в низкотемпературную область. Определение состава (поверхностного и объемного) и структуры (статистической и локальной) цеолитов TS и FS вместе с найденными корреляциями позволило предложить новые катализаторы в реакциях конверсии пропана, этанола, закиси азота и аллилхлорида. Представлен кристаллохимический анализ, обобщение и систематизация структурных характеристик металлорганических полимеров. Проведено разделение структур MOFs (MIL-53) на морфотропную серию, что позволяет прогнозировать образование новых соединений или твердых растворов с соответствующим составом и структурой. Показана работоспособность перехода от кубических MOFs (CuBTC) сложных композиций к более простым гомеотипным структурам для расчета радиусов полостей структуры, играющих ключевую роль в реализации каталитических свойств. Представлены результаты проведения реакций Фентона с использованием красителя RR195 (MIL-53(Fe) и композита с оксидом графена MIL-53(Fe)/GO, УФ-излучение) и каталитических свойств в конверсиях этанола и пропана (CuBTC и композит с активированным углем CuBTC/C). Более высокие параметры каталитической активности достигнуты на композитах MIL-53(Fe)/GO и CuBTC/C. Сопоставление результатов структурного анализа и рентгеновской абсорбционной спектроскопии для монокристаллических (на примере монокристаллов CVO, как номинально-чистых, так и активированных ионами тулия CVO:Tm) и марганца CVO:Mn)) и поликристаллических объектов (алюмо-, железо- и титансиликалиты, нанокомпозиты с НА, HOF и MOFs) с каркасными структурами позволило предложить стратегию уточнения структур для получения корректных данных о каркасных структурах и их роли в фундаментальном и прикладном материаловедении.