Участие в конкурсе на получение стипендии Президента РФ для молодых ученых и аспирантов в 2019-2021 годах.

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

Сведения о проекте

описание

Данный проект направлен на разработку модельных композитных систем на основе полианилина (ПАНИ), допированного наночастицами благородных металлов в присутствии проводящей углеродной фазы – линкера между металлом и ПАНИ. Для достижения миниатюризации системы и сохранения высокой каталитической активности необходима значительная истинная площадь электрода при малой видимой площади. Получение предлагаемых композитных материалов будет проводиться при четком контроле геометрических параметров системы, что позволит систематически изучить влияние топологии системы на ее электрокаталитическую активность и стабильность. Результаты данного исследования позволят найти подход к созданию электродных систем, отвечающих требованиям к
современным миниатюрным источникам питания.

основные результаты по этапу (подробно)

Решение Задачи 1. Разработка методики синтеза пленок ПАНИ (2D структуры) и трубок ПАНИ (3D структуры) контролируемой толщины на подложках с различными геометрическими параметрами
Синтез полианилиновых покрытий проводился на подложках различного типа, в частности на покровных стеклах, медных пластинках, каптоне, планарных образцах анодированного оксида алюминия, а также трехмерных наномембранах анодированного оксида алюминия. Последние были получены в результате двухступенчатого процесса анодирования. В ходе работы над проектом были «in situ» получены полимерные покрытия непосредственно на подложках, а также пленки полимера, которые были впоследствии иммобилизованы на образцах для обеспечения их лучшей проводимости в ходе электрохимических исследований. На рис. 1 представлены микрофотографии образца, полученного на планарной подложке (покровном стекле) в результате «in situ» полимеризации анилина.

Далее в ходе работы над проектом было установлено, что наличие модифицирующего слоя (3-аминопропил)триэтоксисилана обеспечивает лучшую адгезию полимера как к планарным подложкам, так и к 3D подложкам – мембранам анодированного оксида алюминия. Силанизация проводилась в реакторе атомно-слоевого осаждения для обеспечения проникновения реагентов в поры мембран и формирования монослоя по всей их поверхности. Согласно отработанной в ходе проекта методике силанизации, необходимо проведение 4 циклов гидратации подложки при 25C, а затем проведение 4 циклов непосредственно силанизации при 80С. Далее, было обнаружено, что постепенно подводимое к системе охлаждение в ходе полимеризации анилина способствует более равномерному распределению полимера в порах мембран. Применение силанизации в совокупности с проведением синтеза в присутствии температурного градиента позволило покрывать полианилином наноструктурированные подложки с длиной пор вплоть до 12мкм при диаметре пор порядка 350нм. На рис. 2 представлены микрофотографии (в разрезе) мембран до заполнения полимером и после.

На следующем этапе для обеспечения электрического контакта, необходимого для электрохимических испытаний, было нужно получить полное закрывание пор мембраны полимером с одной стороны. На рис.3 представлена микрофотография (вид сверху) мембраны, частично закрытой слоем полианилина.

Поверхностный слой мембраны, полностью закрытой полианилином, по своей морфологии неотличим от планарных структур. Получение непрерывного слоя осуществлялось нанесением пленки полианилина, параллельно получаемой на поверхности реакционной жидкости в ходе основного процесса «in situ» полимеризации.

Решение Задачи 2. Изучение влияния геометрии полученных систем на их электрокаталитические свойства в реакции разложения аскорбиновой кислоты.
Для идентификации полианилина на поверхности подложки была проведена электрохимическая характеризация полученных образцов. Измерены циклические вольтамперограммы полученных образцов при различных рН в среде буферных растворов: ацетатном (рН=1) и фосфатных (с рН=4 и рН=7). Измерения проводились в трехэлектродной ячейке, образец был подключен как рабочий электрод. В качестве электрода сравнения был использован хлоридсеребряный электрод, в качестве опорного – платиновая сетка.

Полианилин демонстрирует различную проводимость в средах с различной кислотностью. Так, при переходе от кислых сред к нейтральным проводимость существенно снижается, что отражается на форме кривой ЦВА. Этот процесс обратим, и связан с протонированием-депротонированием эмеральдиновой формы полианилина, что и доказывает его наличие в исследуемых образцах.
Для случая планарных подложек, в частности пленок ПАНИ, полученных в ходе “in situ” полимеризации, была проведена серия измерений электрокаталитического окисления аскорбиновой кислоты методом ЦВА с различными концентрациями аналита (от 0 до 50 мМоль).

Полученные результаты демонстрируют увеличение токов при приложении 1.1В при повышении концентрации аскорбиновой кислоты, что позволяет идентифицировать данный пик как соответствующий электрокаталитическому процессу.

основные результаты по этапу (кратко)

Основная цель проекта - разработка методики создания электрокаталитически активных композитных систем 2D и 3D архитектуры на основе полианилина, допированного, в частности, AgAu@C наночастицами. В рамках решения первой задачи проекта, запланированной на период с апреля по декабрь 2019 года, оптимизирована методика синтеза полианилиновых покрытий для планарных и 3D структур. Изучено влияние различных параметров эксперимента (типа подложки и наличия на ней модифицирующего слоя, температурного градиента при синтезе, способов промывки полученных композитов и пр.) на качество покрытия, получаемого в ходе «in situ» полимеризации анилина. Для случая планарных образцов рассмотрены формирование слоев и иммобилизация полимерных пленок на поверхности подложек. С января 2020 года начата работа над второй задачей проекта: продемонстрировано проведение реакции электрокаталитического разложения аскорбиновой кислоты на образцах с 2D топологией.

описание вклада в работу каждого из участников, допустима оценка в процентах (учётная форма ЦИТиС)

Работа выполнена аспирантом ИХ СПбГУ Васильевой Анной Алексеевной - руководителем проекта

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

Не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

Не резрешается
Короткий заголовокРазработка методики создания электрокаталитически активных композитных систем на основе полианилина, допированного наночастицами металлов для возможности применения в источниках питания миниатюрных кардиостимуляторов.
АкронимStipPresident_2019
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания3/07/1931/12/21

Ключевые слова

  • электрокатализ
  • полианилин (ПАНИ)
  • лазерно-индуцированное осаждение металлических наночастиц (M@C НЧ)
  • мембраны анодированного оксида алюминия