Кристаллизация на границе раздела раствор соли металла – газообразный реагент и получение нового поколения нано- и микроструктурированных неорганических материалов (заключительный)

Завершающийся проект был направлен на решение проблемы получения в условиях «мягкой» химии нано- и микроструктурированных материалов с перспективными свойствами. В качестве основного подхода к решению проблемы в настоящем проекте развивали методологию синтеза новых наноматериалов в результате проведения реакции на границе раздела между компонентами водного раствора и молекулами газообразного реагента. Целью проекта на продление являлась разработка основ синтеза на поверхности водного раствора смеси солей в результате конкурирующих реакций образования труднорастворимых соединений под действием газообразного реагента. В рамках данного проекта были рассмотрены реакции диффузионно-контролируемого гидролиза при обработке поверхности раствора газообразным NH3, окисления под действием О2 или O3 с образованием оксидов и/или гидроксидов переходных металлов, осаждения труднорастворимых неорганических фторидов в реакции с газообразным HF. В результате выполнения проекта был синтезирован и охарактеризован ряд многокомпонентных неорганических соединений с общими формулами M1xM2yOz · nH2O и M1xM2yFz, где М1, М2 - Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Sc, Y, La, Ln, Pb, и др. Для многих соединений определены условия образования тонких пленок и планарных покрытий, слоев с градиентом распределения компонентов по толщине, микротрубок с морфологией свитков, упорядоченных сотообразных структур. Общей особенностью большинства синтезированных материалов является сложная иерархическая организация: 2D или 3D микроструктуры как правило состоят из массивов упорядоченных наночастиц, в т.ч. с морфологией ориентированных нанолистов. Другая важная черта – возможность тонкой «настройки» функциональных свойств материала изменением соотношения компонентов в его составе. Отметим следующие наиболее важные результаты выполнения проекта: • Показана возможность синтеза анизотропных градиентных материалов на основе смешанных Fe/Mn оксидных соединений в результате диффузионно-контролируемого гидролиза поверхности раствора смеси солей. Состав синтезированных соединений и их магнитные характеристики зависят от условий синтеза и могут быть настроены в широком диапазоне. • Реализован маршрут для улучшения ионной подвижности в материалах с кристаллической структурой тисонита, основанный на гомовалентном допировании. Синтезированы микротрубки La0.93Sc0.07F3, состоящие из 2D нанокристаллов с толщиной около 10 нм. Методом ЯМР спектроскопии показано, что синтезированный материал является рекордсменом по значению коэффициента диффузии 19F среди материалов со структурой тисонита. • Предложен и апробирован способ получения на поверхности капель раствора Mn(OAc)2 плоских упорядоченных сотообразных структур, состоящих из 2D нанокристаллов MnO2 с кристаллической структурой бирнессита. • Впервые проведен синтез наночастиц серебра по методике ионного наслаивания на нижней поверхности тонкой пленки оксида железа FeOOH, свободно лежащей на поверхности раствора. Показано, что микротрубки лепидокрокита, с внутренней поверхностью, модифицированной наночастицами серебра, обладают улучшенными каталитическими характеристиками в реакции разложения H2O2 по сравнению с немодифицированными и демонстрируют повышенную мобильность. • Проведена систематизация результатов, полученных при работе над проектом РНФ 16-13-10223 (2016-2018) и его продлением (2019-2020). В журнале уровня Q1 опубликован обзор, в котором рассматриваются особенности реакций на границе раздела раствор-газ, основные принципы формирования микротрубок различных классов неорганических соединений, обозначаются преимущества и недостатки развиваемого метода синтеза в сравнении с другими известными методами получения микротрубок в результате сворачивания слоя, а также делается прогноз применения материалов, которые могут быть созданы по технологии межфазного синтеза на границе раздела раствор-газ. Синтезированные соединения тщательно охарактеризованы комплексом современных методов спектроскопии, микроскопии, рентгеновской и электронной дифракции, термических методов анализа. При изучении функциональных свойств полученных материалов исследованы их оптические, магнитные, электрохимические и электрофизические свойства. Сделаны рекомендации для практического использования синтезированных материалов в качестве новых улучшенных сенсоров, катализаторов, материалов ионики, оптических и магнитных материалов. Значительный объем исследований был проведен в ресурсных центрах исследовательского парка СПбГУ, сотрудникам которых научная группа данного проекта выражает глубокую признательность. По результатам исследования было представлено 8 докладов на 6 международных и российских конференциях, в том числе 5 устных и 1 приглашенный. Опубликовано 7 работ в журналах, имеющих индексацию в Web of Science Core Collection, причем 4 из них, включая 1 обзор – в журналах с рейтингом Q1. Журнал ACS Omega разместил на обложке одного из выпусков иллюстрацию, ассоциированную с материалами, синтезированными в рамках проекта.