- Информация о материале
Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Омского государственного технического университета разработали катализатор на основе наночастиц из сплава платины и никеля, которые встроены в углеродные нановолокна.
Новости РАН, 31.10.2023
InScience, 30.10.2023
Российские ученые разработали катализатор на основе углеродных нановолокон и наночастиц из платиноникелевого сплава. Этот материал стабильнее и дешевле обычных платиновых катализаторов, которые применяются в топливных элементах, позволяющих получать электроэнергию. Исследование опубликовано в журнале Catalysts.
Топливные элементы — это устройства, которые позволяют вырабатывать электрическую энергию химическим путем из топлива. В качестве сырья в таких устройствах часто используются углеводороды, а также метанол, этанол, муравьиная кислота. Однако сегодня ученые ищут способы применения более экологичных возобновляемых видов топлива, например водорода. Для работы топливных элементов требуются мембраны и электроды, с помощью которых осуществляются электрохимические реакции, а также катализатор. В качестве последнего чаще всего применяется платина, главный недостаток которой — высокая стоимость. Чтобы снизить цену топливных элементов, ученые пытаются найти другие варианты катализаторов, в состав которых, помимо платины, входят другие металлы — кобальт, никель, железо, рутений, хром и другие. Их сплавы с платиной могут быть не только дешевле, но и эффективнее. Например, такие катализаторы могут быть активнее, и стабильнее в агрессивных средах, что важно для их применения в топливных элементах.
Ученые из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Новосибирского государственного университета и Омского государственного технического университета разработали катализатор на основе наночастиц из сплава платины и никеля, которые встроены в углеродные нановолокна. Сначала химики получили сплавы платины и никеля с различным соотношением путем термического разложения специально приготовленных предшественников из солей металлов. Затем ученые поместили сплав в реактор и провели реакцию каталитического разложения этилена при температуре 600°C. В ходе этого процесса происходит отложение углерода, что приводило к фрагментации исходного сплава с образованием активных каталитических частиц. Образующиеся активные частицы в дальнейшем играли роль центров роста углеродных нитей (нановолокон). При этом, как отметили ученые, при использовании в качестве катализатора чистой платины подобных процессов не происходило, она была неактивна. Полученный композитный материал из углеродных нановолокон и наночастиц сплава платины и никеля ученые охарактеризовали с помощью рентгеновской дифракции и электронной микроскопии, а затем проверили его активность как катализатора в электрохимической реакции получения водорода.
В ходе экспериментов ученые выяснили, что эффективность полученного катализатора повышается при увеличении доли никеля в сплаве. Так, больше всего углеродных нановолокон вырабатывалось при использовании чистого никеля или сплава, состоящего на 10% из платины и на 90% — из никеля. В таком случае выход нановолокон повышался в 10-30 раз по сравнению с исключительно платиновым катализатором, составляя 30 грамм нановолокон на каждый грамм катализатора. В электрохимической реакции получения водорода лучшие результаты также показали композитные материалы, в которые входили наночастицы из сплавов с 10% и 20% платины. При этом они оказались в два раза эффективнее коммерческого катализатора на основе платины на пористом углеродном носителе. «Особенность этих катализаторов заключается в том, что их можно получать в реакции каталитического разложения углеводородов. Эту реакцию можно использовать для утилизации углеводородов или их хлорпроизводных с получением полезных продуктов, таких как водород и углеродные волокна, содержащие в своем массиве каталитически активные частицы сплава», — отмечает один из авторов статьи, кандидат химических наук Антон Попов.
Таким образом, ученые разработали способ получения композитного материала из углеродных нановолокон и наночастиц из платино-никелевого сплава, который может эффективно использоваться в катализе и электрокатализе. Применение именно этого материала позволяет сократить количество используемой платины на 80-90%, что значительно удешевляет его по сравнению с традиционными платиновыми катализаторами.
Работа проведена при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 21-13-00414). Каталитические исследования проведены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации [проект № AAAA-A21-121011390054-1].
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
- Информация о материале
Среди обладателей наград ─ химики, геологи, физики, математики ─ сотрудники институтов Сибирского отделения Российской академии наук. Губернатор Андрей Травников отметил их весомый вклад в решение важных научных задач и вручил сертификаты победителям конкурсов на предоставление именных премий, именных стипендий, грантов Правительства Новосибирской области.
Вести Новосибирск (27.09.2023)
Аспирант 4 года обучения Ворфоломеева Анна (рук. – д.х.н. Л.Г. Булушева, д.ф.-м.н. А.В. Окотруб) на вручении награды.
Молодые ученые Института – победители конкурсов Правительства Новосибирской области.
«Статус Новосибирска как научной столицы страны обязывает, поэтому мы с каждым годом стараемся делать больше, дополнять инструменты научной деятельности в интересах экономики региона и страны. В дополнение к федеральной программе запущен новый региональный инструмент ─ создание молодежных лабораторий при поддержке областного бюджета», ─ сообщил губернатор Новосибирской области Андрей Травников.
Молодые исследователи принимают участие в знаковых проектах, которые реализуют в Новосибирской области. Сибирский биотехнологический научно-образовательный центр, Сибирский кольцевой источник фотонов, «Академгородок 2.0»: губернатор отметил их прорывные разработки. Инновационные продукты необходимы не только экономике Новосибирской области, но и всей стране.
На награждении губернатор призвал молодых ученых активнее включаться в работу. В правительстве области готов список задач, которые необходимо решить сибирским ученым в интересах региона. Такой подход устраивает исследователей.
Сайт Правительства Новосибирской области (27.09.2023) Губернатор Новосибирской области поздравил перспективных молодых учёных с победой в конкурсах на получение грантов, именных стипендий и премий
Губернатор Андрей Травников отметил их весомый вклад в решение важных научных задач и вручил сертификаты победителям конкурсов на предоставление именных премий, именных стипендий, грантов Правительства Новосибирской области. В этом году на три конкурса подано 128 заявок, 69 исследователей признаны победителями.
Важно, что результаты этих научных изысканий могут быть воплощены в инновационных продуктах. И региональные власти в своей работе уделяют особое внимание поддержке молодых талантливых исследователей. С каждым годом расширяется и дополняется набор инструментов поддержки научной деятельности в интересах экономики Новосибирской области и всей страны, уточнил Андрей Травников. Так, больше молодых учёных теперь могут получить именные стипендии и гранты. Например, количество грантов, предоставляемых ежегодно, увеличилось с 12 до 30, именных стипендий – с 10 до 20. Действуют и другие инструменты поддержки.
«Статус Новосибирской области как лидера научно-технологического развития, а Новосибирска как научной столицы страны обязывает. Запущен новый региональный инструмент — в дополнение к федеральной программе создания молодёжных лабораторий. При поддержке областного бюджета в этом году создаются ещё три молодёжные лаборатории.
В рамках деятельности СибБиоНоц проекты, одобренные наблюдательным советом, получают в преимущественном порядке поддержку по линии других наших министерств, например, минсельхоза Новосибирской области.
С каждым годом мы создаем всё больше новых дополнительных возможностей для того, чтобы поддержать научные исследования. В этом году, кстати, утверждён список актуальных исследовательских тем и задач. Надеюсь, что молодые учёные будут обращать особое внимание при планировании своей работы на те задачи, решения которых ждут наши коллеги в различных отраслевых министерствах», — подчеркнул Губернатор.
Добавим, что участие в конкурсах на получение именных стипендий и грантов позволяет вовлекать молодых исследователей, ведущих научных и образовательных организаций региона в решение важнейших научных задач, а победители получают дополнительные возможности для реализации своих проектов, повышения уровня образования.
С высокими достижениями молодых учёных также поздравили вице-президент РАН, председателя СО РАН, академик Российской академии наук Валентин Пармон и председатель Совета ректоров вузов СФО, председатель Совета ректоров вузов Новосибирской области Николай Пустовой.
Для справки.
Именные премии присуждаются Правительством Новосибирской области за значительный вклад в развитие естественных, технических и гуманитарных наук, обеспечивающих инновационное развитие экономики и социальной сферы региона; в разработку и промышленное освоение образцов новой техники и прогрессивных технологий.
Ежегодно по результатам конкурса присуждается до 19 именных премии в номинациях «лучший молодой исследователь», «лучший молодой изобретатель», «лучший научный руководитель».
Аспирантам и докторантам очной формы обучения для проведения перспективных научных исследований и разработок ежегодно выделяется не более 20 именных стипендий.
Гранты предоставляются научным работникам, научно-педагогическим работникам, имеющим ученую степень кандидата либо доктора наук в целях финансового обеспечения затрат, связанных с выполнением научных (научно-исследовательских) и (или) научно-технических работ, отличающихся значительной научной новизной. Ежегодно предоставляется не более 30 грантов.
Новость на сайте СО РАН (28.09.2023) Губернатор Новосибирской области поздравил перспективных молодых учёных с победой в конкурсах на получение грантов, именных стипендий и премий
- Информация о материале
Сотрудники Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН синтезировали противоопухолевые соединения на основе комплексов меди(II) с 1H-тетразолил-5-уксусной кислотой и дополнительными лигандами. В экспериментах in vitro показана их активность против раковых клеточных линий. Результаты работы опубликованы в New Journal of Chemistry.
Материал о новых соединениях представлен на страницах газеты Наука в Сибири (№ 32, 10.08.2023)
Исследование проводили ученые Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН совместно с коллегами из Северо-Кавказского зонального научно-исследовательского ветеринарного института (Новочеркасск) и Федерального исследовательского центра фундаментальной и трансляционной медицины.
«Комплексные соединения, которым посвящена эта публикация, по своей структуре являются аналогами соединений серии Casiopeinas®. Это разнолигандные комплексы меди, способные проявлять биологическую активность, — рассказывает старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Елизавета Викторовна Лидер. — В серии Casiopeinas® в качестве лигандов выступают анионы аминокислот либо ацетилацетоната, а также производные 2,2'-бипиридина и 1,10 фенантролина. Последние также входят и в наши соединения, но в качестве второго лиганда мы используем производные тетразола. В этом исследовании мы работали с 1Н-тетразолил-5-уксусной кислотой».
*Лиганды — это органические или неорганические молекулы, которые координируются к центральному иону металла.
Тетразол-уксусная кислота (1H-тетразолил-5-уксусная кислота) была выбрана для того, чтобы повысить растворимость комплексных соединений и сделать их более подходящими для биомедицинских применений.
Полученные комплексы ученые охарактеризовали c помощью ИК-спектроскопии, рентгенофазового, элементного и термогравиметрического анализов, а также с использованием комбинации различных методов изучили, как соединения ведут себя в растворе. «В этой публикации нам удалось показать, что в растворе происходит перераспределение лигандов. Одна форма получается разнолигандная, она содержит производные 2,2'-бипиридина и 1,10-фенантролина, 1Н-тетразолил-5-уксусную кислоту, но в другом соотношении по сравнению с исходным соединением. Вторая включает в себя только комплекс меди с 1Н-тетразолил-5-уксусной кислотой. Кроме того, мы продемонстрировали, что, несмотря на перераспределение лигандов, эти формы остаются стабильными в течение длительного времени», — говорит научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Юлия Андреевна Голубева.
Затем ученые исследовали in vitro цитотоксическую активность полученных соединений, а именно то, как они воздействуют на раковые клетки человека. Для эксперимента были выбраны четыре клеточные линии: две опухолевые (гепатокарцинома и карцинома молочной железы) и две обычные (фибробласты человека и эмбриональные клетки почек). На первых предполагалось посмотреть, насколько хорошо препарат убивает опухолевые клетки. Нераковые клетки использовались для определения так называемого индекса селективности: он может показать, насколько избирательно действует соединение именно на опухолевые клеточные линии.
Клетки поместили в специальные культуральные планшеты, где они сначала культивировались в течение 24 часов, а затем к ним добавляли раствор, содержащий полученные комплексные соединения. Через 48 часов сравнивалась выживаемость клеток после воздействия тестируемых соединений с выживаемостью контрольных клеток, не обработанных комплексами. С помощью специального прибора (IN Cell Analyzer 2200) ученым удалось посчитать количество живых и мертвых клеток, а также тех, что пребывают в состоянии апоптоза, и определить концентрацию полуингибирования, которая показывает, при какой дозе препарата погибают 50 % клеток.
«Эксперимент показал, что нам удалось получить соединение с очень высоким индексом селективности, равным 19. То есть это вещество в 19 раз лучше убивает раковые клеточные линии по отношению к нераковым. Грубо говоря, на 100 раковых клеток оно будет уничтожать лишь 5 здоровых. В медицинской среде неплохим считается уже индекс селективности больше 3—4», — объясняет Елизавета Лидер.
Также полученные комплексы меди с 1H-тетразолил-5-уксусной кислотой и дополнительными лигандами проверили на антибактериальную, противогрибковую и протистоцидную активность (на бактериях E. coli и S. aureus, грибах вида P. italicum и простейших вида Colpoda steinii). «Против бактерий и грибов эффекта показано не было, зато протистоцидная активность у некоторых из наших соединений была сопоставима с медицинским препаратом хлорохином», — рассказывает аспирантка ИНХ СО РАН Екатерина Андреевна Ермакова.
В Северо-Кавказскогом зональном научно-исследовательском ветеринарном институте, кроме противомикробной активности, проверили острую токсичность комплексов на мышах. На данный момент выявлена максимальная переносимая доза. «В дальнейшем мы планируем определить полулетальную дозу, при которой половина животных должна выжить. По ее величине можно будет делать выводы о применимости полученных комплексов в медицине. Мы должны показать, что терапевтические концентрации препарата не оказывают летального воздействия на живые организмы», — говорит Елизавета Лидер.
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 20-73-10207.
Диана Хомякова, Наука в Сибири (№32, 10.08.2023)
Иллюстрация предоставлена исследователями
- Информация о материале
Ученые Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН и Новосибирского института органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН синтезировали неорганические соединения, в которых может происходить фотоперенос протона. Им удалось создать умные люминофоры с двумя полосами люминесценции. Исследования опубликованы в международных журналах Dalton Transactions и Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry.
Материал о новых соединениях представлен на страницах газеты Наука в Сибири (№ 31, 03.08.2023)
«Нам было интересно, сможем ли мы осуществить реакцию фотопереноса протона в соединениях, которые могут быть отнесены к классу неорганических (содержат ион металла), так как большинство соединений, способных демонстрировать фотоперенос протона, органические. Многие из них имеют низкий квантовый выход люминесценции, поддаются влиянию процессов, снижающих ее эффективность. Оказалось, что координация ионов металлов к лигандам (молекулам, которые могут образовывать связи с ионами металлов) способна решить эту проблему, повысить квантовые выходы люминесценции. Такое взаимодействие органической молекулы и ионов металла приводит к образованию соединений, называемых комплексными. Но есть сложность: если органическое соединение, способное проявлять фотоперенос протона, взаимодействует с ионом металла, он вытесняет подвижный протон и становится на его место. Нашей задачей было попробовать синтезировать такие комплексные соединения, которые были бы способны проявлять фотоперенос протона. Первый шаг в решении этой задачи — создать органические молекулы, в которых были бы группы, взаимодействующие с ионами металлов, тогда ионы металла не будут вытеснять подвижный протон», — рассказывает руководитель проекта, ведущий научный сотрудник Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН доктор химических наук Марк Борисович Бушуев.
Процессы переноса протона распространены в природе. Они включают, например, всем известные реакции между кислотами и основаниями. Исследователи изучают процессы переноса протона, происходящие не между разными молекулами, а в пределах одной, где одна часть молекулы принимает протон (акцептор), а другая отдает (донор). Взаимодействие между этими частями называется водородной связью. Протон может находиться в протонодонорной части молекулы, а может переходить к протоноакцепторной. Когда молекулы поглощают квант света, происходит перераспределение электронной плотности, протон это чувствует и переходит на протоноакцепторную часть молекулы. Этот процесс можно назвать фотоиндуцированным переносом протона или внутримолекулярным переносом протона в возбужденном состоянии (ESIPT, excited state intramolecular proton transfer).
«Благодаря тому, что у нас две формы молекулы, люминесценция может проявляться в разных областях спектра. Например, одна в зеленой, другая в голубой. Когда протон находится у протонодонорной части молекулы — это нормальная форма, когда у протоноакцепторной — таутомерная. В этом отличие умных люминофоров от классических. Последние существуют только в одной форме, в них нет такого подвижного протона, поэтому они проявляют лишь одну полосу люминесценции», — комментирует младший научный сотрудник Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН Никита Александрович Шеховцов.
Соединения с фотопереносом протона относятся к классу умных люминофоров и отличаются от классических, проявляют другие свойства. Люминесценция таких люминофоров зависит от разных внешних воздействий, например температуры. При комнатной температуре свечение может находиться в одной области спектра, а при температуре жидкого азота (77 К) вещество может резко поменять положение полосы эмиссии и светиться по-другому. Также ученые обнаружили зависимость эмиссии от энергии возбуждающего света, это очень редкое свойство. Когда они возбуждают молекулу различными видами волн (квантами света с разной длиной волны), цвет эмиссии начинает меняться.
«Умные люминофоры могут использоваться для изготовления органических светоизлучающих диодов нового поколения OLED. Они есть, например, в дисплеях современных телевизоров. Большинство из них основано на классических люминофорах с одной полосой эмиссии люминесценции. Наши соединения могут применяться для изготовления новых диодов, которые имеют две полосы эмиссии. Когда есть две полосы, появляется возможность переходить к новым цветовым диапазонам, получать качественное белое свечение. Полученные нами соединения были бы хорошими отечественными аналогами полупроводников зарубежных производителей. Еще один вариант применения — биовизуализация живых клеток. В данном случае возбуждение молекул люминофора, введенных в клетку, позволяет видеть определенное свечение живых или раковых клеток», — рассказывает Никита Шеховцов.
Умные люминофоры можно получить разными способами, и создание предпосылок для фотопереноса протона в молекуле — один из них. Самое важное при дизайне молекул, которые могли бы демонстрировать фотоперенос протона, — сформировать специальный сайт (место), где протон сможет переходить от протонодонорной части к протоноакцепторной.
Для исследования синтезированных веществ ученые применяют как экспериментальные, так и теоретические методы. Сначала они проводят эксперимент, регистрируют спектр эмиссии, а уже после делают квантово-химические расчеты. Основное свойство, люминесценцию, а также ее характеристики (времена жизни возбужденных состояний, квантовый выход) измеряют с помощью приборов. Чтобы понять, за счет каких электронных переходов в молекуле происходит свечение и установить механизмы люминесценции, проводят квантово-химические расчеты. По результатам эксперимента и расчетов ученые делают выводы, что нужно ввести в молекулу, чтобы повысить квантовый выход эмиссии, какие части молекулы необходимо модифицировать.
«В итоге участникам нашего проекта удалось синтезировать серию соединений на основе имидазола и пиримидина. Наш коллектив синтезировал как сами лиганды, так и комплексные соединения цинка с этими лигандами. Изучили их люминесценцию и установили, как координация иона металла влияет на положение полосы люминесценции. Также мы смогли понять, как меняется люминесценция при переходе от твердого состояния к раствору, и объяснили это с помощью методов квантовой химии. Помимо этого, оказалось, что в некоторых наших соединениях нарушается правило Каши, а это одно из фундаментальных правил фотофизики, которое не соблюдается в редких случаях. Правило простое: у молекулы есть основное состояние (S0), а есть возбужденные (Sn, n = 1, 2, 3, …), и в большинстве молекул люминесценция происходит с самого нижнего возбужденного состояния S1 в S0. В наших же соединениях люминесценция проходит из второго возбужденного состояния S2 в S0. Исследование электронного строения этих молекул методами квантовой химии позволило нам установить причины, ответственные за такую нетипичную люминесценцию», — делится Никита Шеховцов.
Дальше исследователи планируют совершенствовать дизайн соединений, проявляющих фотоперенос протона: сначала рассчитывать молекулы методами квантовой химии, выбирать наиболее эффективные и синтезировать те, которые могут потенциально обладать хорошими фотофизическими свойствами.
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 21-13-00216.
Наука в Сибири, № 31, 03.08.2023
Полина Щербакова. Фото предоставлены исследователями, а также из открытых источников (обложка)
© ИНХ СО РАН 1998 – 2024 г.