Оптимизация инновационного метода синтеза алюминированного карбида титана как основного материала для получения 2D Mxene материалов (Ti3C2, Ti2C)
Актуальность проекта: Уникальные свойства 2D материалов, обусловленные их наноразмерностью, применяют в различных сферах деятельности, таких как оптоэлектроника, катализ, биомедицина, сенсорика, энергетика, отчистка воды и др. Они также могут служить удобными строительными блоками для целого ряда слоистых структур, мембран и композитов. Мы предлагаем провести многоуровневую оптимизацию процесса синтеза Ti3AlC2 и Ti2AlC, с целью получения более чистого продукта, рассчитанного также его на удешевление и масштабирование, что позволит закрыть нужды научной сферы Казахстана в направлениях исследований по 2D материалам из карбида титана (Ti3C2 и Ti2C), а в последующем и для коммерциализации материала. Причем, при оптимизированном методе синтеза планируется не закупить исходные материалы из-за рубежа, а пользоваться имеющимися местными ресурсами: металлический порошкообразный алюминий, порошкообразный титан и углерод производятся и распространяются в Казахстане.
Цель проекта: оптимизация метода синтеза алюминированных карбидов титана для увеличения выхода конечного продукта, снижения себестоимости материала и изготовление пилотной установки синтеза для дальнейшего масштабирования и коммерциализации.
Задачи проекта
Оптимизация метода синтеза для достижения наиболее качественного, чистого Ti3AlC2 и Ti2AlC. является комплексной задачей и определяется рядом согласованных шагов, когда следующий шаг напрямую зависит от предыдущих результатов. Тем не менее, огромный опыт работы нашей лаборатории «Технологии электрохимических производств» в высокотемпературном синтезе электродных материалов, обширная литературная база по этой тематике позволяет создать предварительный план для выполнения проекта:
а) Сбор малой установки для оптимизации метода синтеза.
б) Оптимизация процесса гомогенизации смеси.
в) Подбор смеси прекурсоров.
г) Варьирование мольного отношения компонентов смеси.
д) Оптимизация процесса прессования.
е) Оптимизация температуры и времени обжига.
ж) Масштабирование оптимизированного процесса синтеза.
Основные члены проекта:
Мальчик Федор Игоревич, руководитель проекта, старший научный сотрудник, PhD, заведующий лабораторией технологии электрохимических производств ЦФХМА, и.о. доцента кафедры аналитической, коллоидной химии и технологии редких элементов, КазНУ им. аль-Фараби
Курбатов Андрей Петрович, доктор химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ЦФХМА, КазНУ им. аль-Фараби
Кан Татьяна Викторовна, младший научный сотрудник ЦФХМА, магистрант 1-го курса факультета химии и химической технологии, КазНУ им. аль-Фараби
Кайыргали Малдыбаев Муратулы, младший научный сотрудник ЦФХМА, докторант 1-го курса факультета химии и химической технологии КазНУ им. аль-Фараби
Кауыпбай Олжас Шыңғысұлы, младший научный сотрудник ЦФХМА, докторант 1-го курса факультета химии и химической технологии, КазНУ им. аль-Фараби
Высоцкая Александра Вячеславовна, младший научный сотрудник ЦФХМА, КазНУ им. аль-Фараби
Сарсенбай Кали, стажер-исследователь ЦФХМА, магистрант, КазНУ им. аль-Фараби
Используемые методы:
Для характеризации синтезированных образцов будут применяться различные методы физико-химического анализа.
1) Основным методом является порошковый рентгенофазовый анализ. Так как все прекурсоры и конечный продукт являются веществами с ярко выраженной кристаллической структурой (кроме активированного углерода), то их идентификация как качественная, так и полуколичественная не будет затруднена.
2) Метод Рамановской спектроскопии также четко фиксирует пики материалов Ti3AlC2 и Ti2AlC (рамановский сдвиг) и побочные не прореагировавшие продукты, в частности углерод и его производные.
3) Морфология синтезированных материалов будет определена методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, совмещенной с элементным картированием (EDX).
4) Размер частиц будет определен методом рассеивающего дифракционного анализа.
Ожидаемые результаты проекта заключаются в оптимизации метода синтеза материалов MAX фаз (Ti3AlC2 и Ti2AlC) и масштабировании оптимизированного метода синтеза с целью получения до 100 г продукта за один обжиг. Предполагаемая многоступенчатая оптимизация метода синтеза алюминированных карбидов титана является новой и многоплановой и позволит получить более чистый продукт. Доступность на внутреннем рынке данного продукта произведет революцию в исследовательской деятельности, а также приведет к прорыву в коммерциализации продуктов на основе карбида титана в таких областях как электроника, медицина, оптика, отчистка воды, мембранные технологии, возобновляемая энергетика и источники тока. К примеру, в области электрохимических источников тока приведет к созданию высокопроизводительных микробатарей нового поколения для широкого спектра устройств, включая все виды портативных устройств, приложения безопасности и защиты, датчики, умные часы, мини-дисплеи, микроэлектронные устройства, устройства памяти и другие гаджеты.
Достигнутые результаты
Результаты за 2022 год:
– Была закуплена и установлена высокотемпературная печь, отработаны режимы работы. Были подобраны высокотемпературные фланцы и подключена продувка инертным газом.
– Была проведена оптимизация процесса гомогенизации смеси прекурсоров при помощи высокоэнергетической мельницы с варьированием следующих параметров: время гомогенизации; среда (Ar, этанол, ацетон); отношение массы и размера шаров к смеси. Проведен анализ гомогенизируемых смесей методами РФА, а также оценен размол с помощью анализа размера частиц
–Были проведены первичный синтез Ti3AlC2 и выявление проблемы масштабирования процесса, будут предложены инженерно-технические идеи для устранения проблем.
Информация для потенциальных пользователей:
Потенциальные пользователи в сфере оптоэлектроники, катализа, биомедицины, сенсорики, энергетики
E-mail – frodo-007@mail.ru
Тел: +77072442236