Лаборатория полимеров на поверхностях и новых полимерных материалов для топливных элементов

Расскажите простыми словами о вашем исследовании

В нашей лаборатории проводятся научные исследования, которые связывает сверхкритический диоксид углерода - среда, в которой углекислый газ находится выше критической точки по давлению и температуре. При этих параметрах он обладает уникальными свойствами, как и другие сверхкритические среды. Говоря простым языком, это среда с плотностью, приближающейся к плотности жидкости, но не имеющая поверхностного натяжения. Благодаря этому свойству сверхкритический флюид проникает в самые малые поры и может использоваться для модификации различных материалов со сложной морфологией. В отличие от других сверхкритических флюидов, диоксид углерода обладает довольно низкой критической точкой, поэтому его относительно легко использовать на практике. Кроме того, это дешёвый «чистый» растворитель, не загрязняющий окружающую среду, который можно использовать для широкого круга приложений.

Чем занимается ваша лаборатория? Выходили ли в последнее время интересные статьи?

В лаборатории много разных направлений, я расскажу о части из них. Первое – это модификация материалов для электрохимической энергетики. Сейчас стараются уходить от традиционных источников энергии - нефти и газа, поэтому эта область стремительно развивается. В качестве альтернативы создаются химические источники тока: литий-ионные аккумуляторы, водородные топливные элементы, проточные окислительно-восстановительные батареи и многие другие. Важными элементами каждого из таких устройств являются электроды (обеспечивающие протекание электрического тока) и сепараторы (разделяющие электроды и препятствующие протеканию нежелательных процессов в ячейке), создание и модификация которых является серьёзной научной и инженерной задачей. В зависимости от конкретного типа источника тока электроды и сепараторы несколько различаются по своему строению и составу, но для многих практических задач их создания и модификации можно эффективно использовать сверхкритический диоксид углерода.

Например, мы занимались интересной работой, связанной с модификацией сепараторов для проточных окислительно-восстановительных батарей. Перед нашей лабораторией стояла такая задача: есть сепаратор из смеси полипропилена и полиэтилена – пористая мембрана со сквозными порами, и её нужно было модифицировать, уменьшив размер пор и сделав их гидрофильными (чтобы сквозь сепаратор могла проходить вода). Эту задачу можно было бы решать, используя различные агрессивные среды типа серной кислоты, которые угрожали бы разрушить структуру сепаратора, а нам удалось с помощью сверхкритического диоксида углерода вырастить внутри мембраны гидрофильные наночастицы и, таким образом, впервые приспособить подобные сепараторы под использование в проточных батареях.

Другой задачей, связанной со сверхкритическим диоксидом углерода, является создание аэрогелей. Аэрогель – это материал, в котором более половины объёма занимают поры. Можете поискать картинки в интернете – выглядит довольно впечатляюще. Такие материалы используются, например, в качестве теплоизоляторов. Благодаря высокой удельной площади поверхности, аэрогели могут использоваться и в химических источниках тока, в качестве каталитических материалов.

Наша научная группа недавно предложила и запатентовала метод получения аэрогелей на основе оксидов металлов. Раньше такие аэрогели получали сложными методами с заменой растворителя и использованием сложных окислительных систем, а время создания таких материалов доходило до двух недель. Мы предложили способ, где в качестве растворителя используется сверхкритический диоксид углерода, а в качестве окислителя – обычный кислород, благодаря которому можно аналогичные аэрогели получать за 8 часов. Сейчас мы этот метод развиваем и доводим до практических применений.

Ещё одна интересная, а главное – наглядная задача, это создание водоотталкивающих покрытий. Несколько лет назад у нас в лаборатории проводилось исследование, как в сверхкритическом диоксиде углерода наносить гидрофобные покрытия на одежду. Коллеги из лаборатории предложили и запатентовали идею, как это можно осуществить. В классических методах для гидрофобизации тканей берут емкость, заливают её жидким раствором гидрофобных реагентов, а затем замачивают там ткань. Потом ткань высушивают от остатков растворителя, что не выгодно экономически, сушка потребляет много энергии. Также в классических методах гидрофобизации остаётся большое количество отходов жидкого растворителя с реагентами, которые нужно утилизировать. Если же использовать в качестве растворителя сверхкритический диоксид углерода, то эти проблемы решаются, так как в после обработки под давлением и разгерметизации реактора, в котором проходил синтез, углекислый газ переходит из сверхкритического состояния в газообразное и быстро улетучивается, при этом гидрофобные вещества выпадают в осадок и фиксируются на сухой ткани. Подробнее об этой технологии можно послушать лекцию моего коллеги М.С. Кондратенко на канале ПостНаука.

Текущая наша работа посвящена модной ныне теме переработки и утилизации мусора. В нашей лаборатории придумали способ, с помощью которого полипропиленовые и полиэтиленовые отходы можно превращать в смесь кислот, в первую очередь в уксусную кислоту. Чем интересна эта технология? Как правило, полипропилен и полиэтилен механически перерабатывают во вторичные пластмассы. Но в таких вторичных полимерах меньше длина молекулярных цепей, поэтому больше трех-четырех циклов переработки невозможно осуществить даже при идеальной сортировке пластиковых отходов. Мы же предложили альтернативное решение с применением сверхкритического диоксида углерода: в реакторе высокого давления создается специальная окислительная среда с катализатором и под давлением пластик окисляется до смеси кислот, которую можно использовать, например, в качестве органических растворителей. Таким образом в перспективе можно перерабатывать те пластики, которые уже нельзя переработать механически. Это исследование мы только начинаем, так что есть много планов по развитию такой технологии.

Есть ли у вас сотрудничества с организациями и компаниями?

У нашей лаборатории совместно с сотрудниками химфака и факультета наук о материалах был интересный проект с исследовательским отделением компании Nissan: изучались возможности восстановления свойств некоторых типов химических источников тока. Есть много текущих совместных задач с Институтом элементоорганических соединений, многие сотрудники кафедры работают там. Также несколько проектов, которые мы делаем сами, получают или получали поддержку Фонда содействия инновациям. Некоторые идеи мы стараемся доводить до коммерческих применений. Для этого сотрудники лаборатории создают компании, некоторые из которых стали участниками проекта «Сколково».

Расскажите, пожалуйста, о практических приложениях аэрогеля оксидов металлов.

Сейчас мы рассматриваем два варианта. Первый – в качестве фильтров для токсичных газов, например, сероводорода. Уже существуют фильтры на основе углеродных аэрогелей, но у фильтров из оксидов металлов преимущество в том, что их, возможно, получится регенерировать. На данный момент не до конца понятны механизмы потенциальной регенерации, но, исходя из текущих исследований в этой области, такой способ, вероятно, удастся реализовать на практике.

Второе применение – это использование аэрогеля оксидов металлов в качестве катализатора в реакциях восстановления кислорода в щелочной среде. Это важно в электрохимии для использования в качестве катализаторов на электродах в химических источниках тока.

Как вы решили прийти в науку?

Мне всегда нравилась физика, с 8 класса я учился на физическом профиле. В школе мы делали интересные лабораторные работы, а также каждый год выпускную исследовательскую работу. В 11 классе я собирал инфракрасный передатчик и приемник для экспериментальной лабораторной установки. Это занимало много времени, но было захватывающе самому придумывать и собирать, а потом видеть, как это работает. Тогда я понял, что хочу заниматься наукой.

Что вам больше всего нравится в вашей деятельности?

Пожалуй, это свобода творчества. Самое сложное и самое простое – это ставить себе самому задачу. Я знаю, что во многих лабораториях момент, когда сам начинаешь ставить себе задачи и решать их, наступает довольно поздно: в аспирантуре или еще позднее. У нас же члены лаборатории могут, при желании, предлагать задачи еще будучи студентами. Обсудить идею, получить советы от научного руководителя, а затем самостоятельно искать литературу и развивать свое исследование.

На каком курсе студент может прийти в лабораторию?

Я считаю, что студент должен приходить на первом курсе. Я сам пришел в лабораторию на втором и, будучи студентом, не понял бы, зачем мне на первом курсе куда-то идти, но из своего опыта могу сказать, что хотя бы попробовать прийти в лабораторию и посмотреть, как там все происходит, на первом курсе стоит. Вас не нагрузят сложной работой, а дадут присмотреться к лаборатории, сотрудникам и направлениям исследований. Это поможет вам выбрать действительно интересное направление, а также раньше участвовать в проектах и получить упоминания в статьях, что будет полезно для научных стипендий.

Какая атмосфера царит в лаборатории?

У нас, как и во многих лабораториях, увлекательная атмосфера. Почти всем участникам нравится заниматься исследованием, не только вместе придумывать решения задач, но и общаться, потому что есть много общих тем для разговоров. Нередко вместе с коллегами мы проводим в лаборатории целый день.

Чем занимаются люди, если уходят из лаборатории?

Некоторые уходят в далекие от науки области, такие как программирование или аналитика. Но также бывшие сотрудники создают предпринимательские научные проекты, нередко на основе знаний и идей, полученных во время работы здесь.

Нужно ли знать программирование для работы в лаборатории?

Для экспериментальной деятельности в нашей лаборатории эти знания не особенно нужны, однако будут полезны при обработке данных, а также при создании прогностических моделей эксперимента. Кроме того, сейчас функционал программирования, доступного даже поверхностному пользователю, очень широк и ряд процессов в лаборатории неизбежно переходит в сторону автоматизации. Например, мы сами создали несколько установок, в которых работа, раньше выполнявшаяся только вручную, теперь частично автоматизирована. Поэтому навыки программирования в нашей лаборатории приветствуется.

Про лабораторию полимеров на поверхностях и новых полимерных материалов для топливных элементов рассказал кандидат физико-математических наук Зефиров Вадим Викторович.

Подробнее о лаборатории: http://sclab.tilda.ws/