Лаборатория экологических проблем постиндустриальной агломерации

Лаборатория экологических проблем постиндустриальной агломерации создана в 2022 году, при финансировании грантом Правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных организациях высшего образования, научных учреждениях и государственные научные центры Российской Федерации (постановление Правительства РФ от 09.04.2010 N 220).

Руководитель

Сотрудники

В лаборатории работают 6 докторов наук, 7 кандидатов наук, 5 аспирантов, 5 студентов. Ключевые исполнители:

• Авдин Вячеслав Викторович, доктор химических наук.

• Трофимов Евгений Алексеевич, доктор химических наук.

• Гришина Мария Александровна, кандидат химических наук.

• Морозов Роман Сергеевич, кандидат химических наук.

• Гудкова Светлана Александровна, доктор химических наук.

• Большаков Олег Игоревич, доктор химических наук.

• Корина Елена Александровна, PhD.

• Жеребцов Дмитрий Анатольевич, доктор химических наук.

• Винник Денис Александрович, доктор химических наук.

• Манойлович Драган, доктор химических наук.

Работы и результаты

Научные:

• Разработана оригинальная методика формирования силикозоля, насыщенного фотокаталитически активными частицами анатаза с последующим формированием механически устойчивых гранул. Гранулирование осуществляется без использования крупногабаритных установок и дорогостоящих иммерсионных жидкостей. Гранулы композитного фотокатализатора TiO2/SiO2 показали высокую эффективность в окислении красителей. В среднем для гранулированного композитного катализатора константа реакции окисления красителей в 2 раза меньше, чем для нанодисперсного, но за счёт высокой гидравлической крупности гранулированный фотокатализатор легко извлекается из воды после завершения очистки, что позволяет применять его в производственных условиях.

• Получены стеклоуглеродные композиты, для чего были синтезированы органические соли металлов, которые вводились в раствор фенол-формальдегидных олигомеров в N,N-диметилформамиде.  Таким образом, был синтезирован новый материал и были исследованы его электрокаталитические характеристики. Полученные результаты позволяют использовать материал в электрохимическом анализе. Был разработан новый чувствительный, избирательный электрод для точного определения триклозана с субмикромолярным пределом обнаружения. Были достигнуты превосходная повторяемость, воспроизводимость и длительный срок службы подготовленного датчика.

• В ходе работ по формированию композита политриазинимида-диоксид титана (ПТИ-TiO2) нами определены оптимальные условия синтеза, которые позволяют контролировать морфологию композита и получать его в виде наноразмерных структур заданной формы. Морфология получаемых частиц в виде наностержней явялется преимуществом данных материалов так как способствует направленному переносу заряда для применения в катализе и сенсорике. Достоверно установлено, что формируемый материал является композитным. Полученные образцы композита отданы на исследования в качестве накопителя энергии, электрохимического сенсора и фотокатализатора.

• Получены и охарактеризованы образцы нанокомпозитного материала на основе ПТИ-TiO2 гидротермальным способом, где в качестве прекурсора использовался пероксокомплекс титана, взамен токсичного способа производства с использованием хлорида титана. Полученные образцы имеют форму рисовых зерен нанометрового диапазона порядка 300 нм с узким распределением по размерам, также при увеличении содержание политриазинимида в образцах ведет к линейному росту размера частиц. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод об образовании композита ПТИ-TiO2.

• Разработаны новые фильтрующие материалы с сорбционно-бактерицидными свойствами для очистки жидкостей и газов от высокодисперсных частиц и микробиологических загрязнений. Полученные фильтрационные материалы за счет эффекта фотокатализа обладают улучшенными бактерицидными свойствами при одновременном сохранении сорбционных свойств материала, пригодного для стерилизации жидких или газовых сред и сорбции высокодисперсных частиц, а также предотвращающего вторичное бактериальное заражение фильтрата и загрязнение его органическими веществами. Предложенный метод позволит в перспективе расширить арсенал нетканых материалов экозащитного назначения, обладающих высокими сорбционными свойствами, а также антибактериальной и противовирусной активностью. Полученные сорбционно-бактерицидные фильтрующие материалы содержат нетканый полимерный волокнистый материал с закрепленными на его волокнах высокопористыми наночастицами оксида титана или нитрида углерода. Также получен материал, содержащий композиционное макропористое покрытие из оксида кремния и оксида титана или нитрида углерода. Оптимальный способ получения фильтрующих материалов включает обработку нетканого полимерного волокнистого материала Спанбонд плотностью 45 г/м2 суспензией наноксида титана или нитрида углерода со связующим поливиниловый спирт и кремнезоль в течение 24 часов, промывку дистиллированной водой и последующую сушку. Для исследования материалов использовалась сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Были полученны материалы с покрытием, имеющим макропоры размером от 100 нм до 2 мкм.

• Предложен материал, который можно интегрировать с уже существующими зданиями и инфраструктурой с минимальным воздействием. Для оптимизации эффективности очистки атмосферного воздуха нужно распространение таких покрытий на всех доступных поверхностях зданий. Проведенная оценка рисков для здоровья населения от загрязнения атмосферного воздуха РМ2.5, с учетом содержания всех потенциальнотоксичных элементов, после применения фильтровальных материалов показала, что суммарный неканцерогенный риск снижается с 1.41 до 0.68 (для детей) и с 0.57 до 0.25 (для взрослых) при допустимых значениях HI<1, что существенно снижает риск развития болезней. Также было установлено значительное снижение общего канцерогенного риска (с опасных значений в 10-6 до 10-9).

• Синтезированы микросферы сложной структуры, состоящей из чешуек, размер которых можно регулировать температурным режимом. На основе синтезированных микросфер были успешно получены электрохимические сенсоры, адаптированные для анализа, например, природных водоемов. Образцы оказались электрохимически активными в отношении сулкотриона – широко известного гербицида. Синтезированный материал показал значительное снижение пределов обнаружения сулкотриона при электрохимическом анализе, высокую стабильность и селективность. Тестирование образцов в реальном времени, проведённое в ходе экспериментальной работы, предполагает, что разработанный сенсор имеет большой потенциал для дальнейших исследований: от лабораторного применения до коммерческого использования.

• Получен субмикроструктурированный композитный материал на основе TiO2 и ПТИ с помощью гидротермальной обработки пероксокомплексов Ti в присутствии ПТИ. Из полученного материала был разработан простой и чувствительный электрохимический сенсор на основе твердого полимерного электролита (SPE), модифицированного субмикроструктурированным композитом политриазинимида (TiO2-ПТИ) для обнаружения нитрит-ионов в сточной воде химических производств.

• Изучены фотокаталитические свойства новых фильтрующих материалов, содержащих нетканый полимерный волокнистый материал с закрепленными на его волокнах покрытиями с высокопористыми наночастицами оксида титана или нитрида углерода, а также композиционное макропористое покрытие из оксидов кремния и титан или нитрида углерода. Полученные фильтрующие материалы за счет эффекта фотокатализа обладают высокой каталитической активностью 80-84%.

• Разработана линейка оригинальных конструкций фотооблучателей для исследования фотокаталитических процессов в статических и динамических режимах, в том числе в многореакторном исполнении. Представленные оригинальные разработки имеют высокую эффективность и позволяют исследовать все аспекты фотокаталитических процессов. Разработанные установки позволили изучить процессы фотокаталитической деструкции трудноокисляемых органических загрязнений и отработать пилотную технологию фотокаталитической очистки воды в динамических (проточных) условиях.

• Разработаны новые фильтрующие материалы с сорбционно-бактерицидными свойствами для очистки жидкостей и газов от высокодисперсных частиц и микробиологических загрязнений. Полученные фильтрационные материалы за счет фотокаталитически активных материалов обладают улучшенными бактерицидными свойствами при одновременном сохранении сорбционных свойств материала, пригодного для стерилизации жидких или газовых сред и сорбции высокодисперсных частиц, а также предотвращающего вторичное бактериальное заражение фильтрата, и загрязнение его органическими веществами. Предложенный метод позволит в перспективе расширить арсенал нетканых материалов экозащитного назначения, обладающих высокими сорбционными свойствами, а также антибактериальной и противовирусной активностью.

• Разработана линейка модифицированных электродов на основе титана для исследования электрокаталитических процессов в стационарных и поточных системах. Разработанные электроды позволили изучить процессы электрокаталитического разложения органических загрязнителей и отработать пилотную технологию электрокаталитической очистки воды в проточных условиях. Рассмотрены различные типы модификации электродных систем на основе титана – пористые диски и электроды композитного состава с многослойной модификацией.

• Получен ряд новых электродов интеркалированием РЗЭ – гольмия – в структуру оксида свинца(IV). На данных электродах определены оптимальные условия электрокаталитического разложения метиленового синего в стационарных условиях: начальный pH электролита, температура межэлектродное расстояние, температура и плотность подаваемого тока. Полученные электроды имеют высокую электрокаталитическую активность при разложении загрязнителя по сравнению с электродами, электроактивный слой которых не модифицирован РЗЭ. При начальном pH 6, межэлектродном расстоянии 20 мм, температуре электролита 25°C, плотности тока 40 мА/см² эффективность обесцвечивания достигала 99% после 35 минут электрохимической обработки.

• Для исследования работы высокоэффективных электродов в динамических условиях был разработан электрокаталитический пластинчато-рамочный реактор проточного типа, оптимизирована геометрия электродов для реакторного блока. Определены оптимальные условия электрокаталитического разложения активного черного в проточных условиях: начальный pH электролита, сила подаваемого тока, концентрация электролита, скорость течения жидкости. При начальном pH 6.6, концентрации электролита Na2SO4 0.10 M, значении подаваемого тока 150 мА, скорости потока жидкости в проточной системе 190 мл/мин эффективность обесцвечивания достигала 100% после 90 минут электрохимической обработки.

• Механохимическая активация смеси оксидов меди и европия улучшила общую подвижность заряда материала в степени, достаточной для селективного обнаружения бентазона в широком диапазоне концентраций (1-45 мкмоль/л). Удовлетворительный предел обнаружения 0,40 мкмоль/л, дополнительные исследования стабильности и анализ реальных образцов показали, что смешанные оксиды являются перспективным классом субстратов для электроаналитического обнаружения пестицидов.

• Известный сверхпроводник, купрат лантана успешно адаптирован для электрохимического обнаружения жизненно важного гормона адреналина. Определён электрохимический механизм окисления адреналина при pH 4 с использованием сенсора 10 вес.% La2CuO4/CPE. Хотя высокий предел обнаружения ограничивает биомедицинское применение метода, но широкий диапазон линейности исследуемых концентраций адреналина делает его перспективным для высокопроизводительного рутинного анализа различных типов анализируемых веществ.

• Другой двойной оксид РЗЭ - CeVO4, успешно использован для одновременного определения трихлорфенола и паранитрофенола. Калибровочный график построен в диапазоне от 0,2 до 60 мкмоль с пределами обнаружения, равными 0,091 мкмоль/л для паранитрофенола и 0,151 мкмоль/л для трихлорфенола.

• Разработан и тщательно охарактеризован новый тип гетерогенных катализаторов на основе серебряных наночастиц, нанесённых на алюмосиликатные полые микросферы. Физико-химические исследования подтвердили образование, количественное осаждение и равномерное распределение наночастиц серебра при нанесении металла согласно разработанной методике. Приготовление катализатора Ag NP/АСПМ представляет собой хорошую альтернативу для эффективной и экологически безопасной утилизации золы-уноса. Модифицированная микросфера продемонстрировала лучшие результаты, чем другие каталитические носители, по причине более высокой доступности реакционных центров в реакции эпоксидирования, контролируемой диффузией.

Инфраструктурные:

• Создание лаборатории мирового уровня по проблемам экологии.

Перспективы практического использования:

• В настоящее время идет адаптация фотоактивных механически устойчивых гранул силикозоля, насыщенного фотокаталитически активными частицами анатаза (TiO2/SiO2) для индустриальных процессов. Ведется масштабирование фотодекструкции загрязяющих вещество – фенолов – на примере сточных вод производства минеральной ваты.

• Ведется адаптация многослойных электроактивных электродов для селективных процессов окисления спиртов.

• На основе наработок, полученных в процессе выполнения гранта, активно разрабатываются методы получения иерархически-структурированных материалов для электрохимической сенсорики в рамках гранта РНФ 24-13-20018.

Публикации:

1. Kneževi ́c, S.; Ognjanovi ́c, M.; Stankovi ́c, V.; Zlatanova, M.; Neši ́c, A.; Gavrovi ́c-Jankulovi ́c, M.; Stankovi ́c, D. La(OH)3 Multi-Walled Carbon Nanotube/Carbon Paste-Based Sensing Approach for the Detection of Uric Acid—A Product of Environmentally Stressed Cells// Biosensors. – 2022, 12, 705. DOI: 10.3390/bios12090705

2. T.G. Krupnova, O.V. Rakova, E.A. Shefer, D.P. Semenenko, A.F. Saifullin Domestic energy-saving behavior index as sustainability indicator: Are Russians ready for sacrifices to protect the environment? // Environmental and Sustainability Indicators. – 2022. – 16, 100209 DOI: 10.1016/j.indic.2022.100209

3. Stanković, V.; Manojlović, D.; Roglić, G.M.; Tolstoguzov, D.S.; Zherebtsov, D.A.; Uchaev, D.A.; Avdin, V.V.; Stanković, D.M. Synthesis and Application of Domestic Glassy Carbon TiO2 Nanocomposite for Electrocatalytic Triclosan Detection// Catalysts. – 2022, 12, 1571.  DOI: 10.3390/catal12121571

4. Korina, E.; Abramyan, A.;Bol’shakov, O.; Avdin, V.V.; Savi ́c, S.; Manojlovi ́c, D.; Stankovi ́c, V.; Stankovi ́c, D.M. Microspherical Titanium-Phosphorus Double Oxide: Hierarchical Structure Development for Sensing Applications. Sensors. – 2023, 23, 933. DOI:10.3390/s23020933

5. Rakova O., Krupnova T., Morozov R., Bondarenko K., Udachin V. Microscopic investigation on PM10 and air-cleaning coatings based on nano-TiO2// International Journal of GEOMATE. – 2023, №24, 103. С. – 76-83

6. Aleksandar Marković,Slađana Savić,Andrej Kukuruzar,Zoltan Konya,Dragan Manojlović,Miloš Ognjanović,Dalibor M. Stankoviс Differently Prepared PbO2/Graphitic Carbon Nitride Composites for Efficient Electrochemical Removal of Reactive Black 5 Dye// Catalysts - 2023, 13 (2)DOI 10.3390/catal13020328 

7. Olga Rakova, Tatyana Krupnova, Roman Morozov, Kirill Bondarenko, Valerii Udachin Microscopic Investigation On Pm10 And Air-Cleaning Coatings Based On Nano-Tio2// International Journal of GEOMATE 2023, 24 (103) DOI:10.21660/2023.103.3731

8. Elena Korina, Anton Abramyan,Oleg Bol’shakov,Vyacheslav V. Avdin, Sladjana Savi´c, Dragan Manojlovi´c, Vesna Stankovi´c,Dalibor M. Stankovi´c Microspherical Titanium-Phosphorus Double Oxide:Hierarchical Structure Development for Sensing Applications// Sensors 2023, 23 (2) DOI:10.3390/s23020933

9. Roman Morozov, Dalibor Stanković, Viacheslav Avdin, Dmitri Zherebtsov, Mikhail Romashov, Anastasia Selezneva, Daniil Uchaev, Anatoly Senin, Alexander Chernukha The Effect of Rare-Earth Elements on the Morphological Aspect of Borate and Electrocatalytic Sensing of Biological Compounds// Biosensors 2023, 13 (10) DOI:10.3390/bios13100901

10. Korina Elena,Heintz Natalya,Grafov Oleg,Adawy Alaa,Abramyan Anton,Bol'shakov Oleg Molten salt Cu(I) intercalation into the poly(triazine imide) for the electrochemical sensing of nitrite// Applied Polymer DOI:10.1002/app.54537

11. E. Korina, A. Karaberova, O. Bol’shakov, M. Golovin, M. Kuznetsov, D. Stankovi´с. Zero-waste preparation of mixed oxides for submicromolar sensing of Bentazone pesticide // Environmental Pollution, 2024. DOI: 10.1016/j.envpol.2024.123494

12. E. Korina, A. Karaberova, O. Bol’shakov, E. Bulatova, M. Golovin, A. Abramyan, D. M. Stanković. Enhancing Adrenaline Sensing with Lanthanum Cuprate: A Promising Approach for a Novel Sensor // Journal of The Electrochemical Society, 2024. DOI: 10.1149/1945-7111/ad1ecb

13. N. Tarasova, M. Khanov, D. Vorobiev, A. Abramyan, D. Uchaev, S. Sozykin, O. Bol’shakov. Fly-Ash Cenosphere as Non-Porous Ag-Nanoparticle Support for Epoxidation of Styrene // ChemistrySelect, 2024. DOI: 10.1002/slct.202401003

14. M. Golovin, A. Mironova, V. Zakharchenkova, О. Bol’shakov. Developing nanostructured composite of poly(triazine imide) and titanium dioxide for selective photooxidation // Chemical Papers, 2024. DOI: 10.1007/s11696-024-03844-1

15. R. Morozov, V. Avdin, G. Lychkin, D. Uchaev, I. Vakhitov, D. Stankovi´c. Facile prepared high purity Cerium vanadate for simultaneous electrochemical detection of p-nitrophenol and 2,4,6-trichlorophenol // Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2024. DOI: 10.1016/j.jpcs.2024.112355

16. M. Golovin, A. Mironova, J. Humayoon, M. Seredova, K. Migunova, V. Zakharchenkova, O. Bol’shakov. Novel of Poly(triazine imide) Composite for Selective Photooxidation // Catalysis Letters, 2024. DOI: 10.1007/s10562-024-04842-4

Мероприятия:

1. Региональный научный форум «Решение экологических проблем постиндустриальной агломерации: наука, практика, обучение» прошедший 9 декабря 2022 года в ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» привлек специалистов, работающих в разных областях науки, связанных с изучением окружающей среды. Неподдельный интерес вызвали новые подходы в аналитической химии, новые материалы и методы очистки воздуха. Проведена своего рода перекличка специалистов и обсуждены перспективы развития мониторинга экологической обстановки в г. Челябинске. По итогам дискуссии ключевых экспертов в области экологии была составлена дорожная карта совместных исследований и основные способы взаимодействия. Сформулированы приоритеты. Форум обещает стать главным регулярным научно-исследовательским событием региона в области экологии.

2. IX Международная конференция «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества» (г. Суздаль, 03.10.2022 г.–07.10.2022 г.).

3. IX Всероссийский молодежный научный форум «Наука будущего – наука молодых» (29.10.2024 г.–01.11.2024 г.).

4. XIII Всероссийская конференция с международным участием «Химия твердого тела и функциональные материалы» (г. Санкт-Петербург, 16.09.2024 г.–20.09.2024 г.).

5. XIII Международная конференция по химии для молодых учёных «Менделеев 2024» (г. Санкт-Петербург, 02.09.2024 г.–06.09.2024 г.).

6. Сотрудники лаборатории организовали II Всероссийскую научно-практическую конференцию «Современные материалы и методы решения экологических проблем постиндустриальной агломерации» на базе ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» (16.12.2024 г.–18.12.2024 г.).

Оборудование:

1. Микроскоп сканирующий электронный JEOL JSM-7001F;
2. Потенциостат-гальваностат P-150X;
3. Бипотенциостат-бигальваностат FRA CS2350;
4. Шкаф сушильный вакуумный VAC-24, Stegler в комплекте с насосом вакуумным 2VP-2 масляный, Stegler;
5. Центрифуга многофункциональная K242;
6. Термостат жидкостный низкотемпературный КРИО-ВТ-12;
7. Муфельная печь ПМ-1200АВ;
8. Анемометр+Термогигрометр «ТКАПКМ»;
9. Кондуктометр E31F, марка SILab;
10. Электропечь камерная лабораторная СНОЛ-2.2,5.1,8/10-ИЗ;
11. Анализатор жидкости Эксперт–001-1.0.1;
12. Низкотемпературная лабораторная электропечь (стерилизатор суховоздушный DHG-9035A);
13. Термостат (термокриостат);
14. Лабораторные прецизионные весы;
15. Титратор потенциометрический Т-50 с встроенным дозирующим модулем;
16. Сушильный шкаф DION SIBLAB NEXT 350℃, 60 л.

Видеолекции:

2023 год:

2024 год:

Контакты:

Авдин Вячеслав Викторович, avdinvv[at]susu[dot]ru

Большаков Олег Игоревич, bolshakovoi[at]susu[dot]ru