Лаборатория синтеза углеродных наноматериалов в пламени

Главная > Лаборатория синтеза углеродных наноматериалов в пламени

История

Лаборатория «Синтез углеродных наноматериалов в пламени» была организована в 2011 году. С момента образования лаборатории и по настоящее время заведующим является д.х.н., профессор Приходько Николай Георгиевич. За это время сотрудниками лаборатории было выполнено около 20 проектов по грантовому финансированию (в том числе ПЦФ) Министерства науки и высшего образования РК и защищено более 5 PhD-докторантов.

Описание лаборатории

                Сфера исследований:
                Получение углеродных наноматериалов (фуллеренов, графена, углеродных нанотрубок, гидрофобной сажи) как в пламени, так из отходов растительной биомассы методом гидротермального и термохимического пиролиза для практического применения в различных направлениях.
Получение углеродных нанокомпозитов методом электроспиннинга.

                Полученные углеродные наноструктуры применяются и исследуются:
                в электрохимических накопителях энергии;
в устройствах для хранения водорода;
в коллекторах солнечной энергии;
в гидроизоляционных материалах.

            

Основные задачи

Получение крупномасштабных доменов графена в пламени на металлических подложках в атмосферных условиях.
Разработка рентабельного и масштабируемого метода синтеза графеноподобных структур из отходов биомассы для электрохимических накопителей энергии.
Разработка и оптимизация метода получения нанопористого углерода из растительных отходов биомассы для максимальной сорбции водорода.
Разработка технологии производства супергидрофобных углеродных наноматериалов в режиме пиролиза и горения углеводородов и создание на их основе гидроизоляционных материалов.
Получение углеродных нанокомпозитов методом электроспиннинга и их применение в электрохимических накопителях энергии.

Результаты

Отработана технология синтеза фуллеренов в пламени при низком давлении под воздействием газового разряда, что позволило увеличить выход фуллеренов до 20%.
Разработана технология синтеза графена в пламени на металлическую подложку в атмосферных условиях с минимальным содержанием аморфной сажевой структуры.
Отработаны гидротермальный и термохимический методы получения графена с максимальным выходом из отходов растительной биомассы.
По результатам работ опубликовано более 200 статей (в том числе в высокорейтинговых журналах) и получено более 20 патентов на новые методы синтеза углеродных наноструктур.

Научные достижения и публикации

1. Prikhod′ko N.G., Smagulova G.T., Nazhipkyzy M., Rakhymzhan N.B., Temirgalieva T.S., Lesbaev B.T., Zakhidov A.A., Mansurov Z.A. High-Efficiency Selective Solar Absorber From Nanostructured Carbonized Plant Raw Material. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2020, Vol. 93, No. 4, P. 1020-1029.

2. Yeleuov M., Seidl C., Temirgaliyeva T., Taurbekov A., Prikhodko N., Lesbayev B., Sultanov F., Daulbayev C., Kumekov S. Modified Activated Graphene-Based Carbon Electrodes from Rice Husk for Supercapacitor Applications. Energies, 2020, 13, 4943, P. 1–10. DOI

3. Temirgaliyeva T.S., Nazhipkyzy M., Nurgain A., Turganbay A.B., Dinistanova B., Mansurov Z.A. Synthesis of Multiwalled Carbon Nanotubes by CVD and Their Functionalization. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2020, 93, P. 91-94. DOI

4. Yeleuov M., Daulbayev C., Taurbekov A., Abdisattar A., Ebrahim R., Kumekov S., Prikhodko N., Lesbayev B., Batyrzhan K. Synthesis of Graphene-like Porous Carbon from Biomass for Electrochemical Energy Storage Applications. Diamond & Related Materials, 2021, Vol. 119, 108560-108567. DOI

5. Abdisattar A., Yeleuov M., Daulbayev C., Askaruly K., Tolynbekov A., Prikhodko N., Taurbekov A. Recent Advances and Challenges of Current Collectors for Supercapacitors. Electrochemistry Communications, 2022, Vol. 142, 107373. DOI

6. Prikhodko N., Yeleuov M., Abdisattar A., Taurbekov A., Tolynbekov A., Rakhymzhan N., Daulbayev C. Enhancing Supercapacitor Performance through Graphene Flame Synthesis on Nickel Current Collectors and Active Carbon Material from Plant Biomass. Journal of Energy Storage, 2023, 73, 108853. DOI

7. Lesbayev B., Auyelkhankyzy M., Ustayeva G., Maral Y., Tolynbekov A. Modification of Biomass-Derived Nanoporous Carbon with Nickel Oxide Nanoparticles for Supercapacitor Application. Journal of Composites Science, 2023, 7(1), 20.

8. Lesbayev B., Auyelkhankyzy M., Ustayeva G., Maltay A., Maral Y. Recent Advances: Biomass-Derived Porous Carbon Materials. South African Journal of Chemical Engineering, 2023, 43, P. 327–336.

9. Дүйсенбек А.Н., Бейсенова Е.Е., Бейсенов Р.Е., Асқарұлы Қ., Приходько Н.Г., Туганбаев А.Б. Изготовление электродов суперконденсаторов с высокой производительностью на основе графеноподобного углерода, полученного из отходов чая. Herald of the Kazakh-British Technical University, Физические науки, 2024, 4(71), P. 186-195.

10. Nazhipkyzy M., Kurmanbayeva G., Seitkazinova A., Varol E.A., Li W., Dinistanova B., Issanbekova A., Mashan T. Activated Carbon Derived from Cucumber Peel for Use as a Supercapacitor Electrode Material. Nanomaterials, 2024, 14, 686. DOI

11. Nazhipkyzy M., Maltay A.B., Lesbayev B., Assylkhanova D. Synthesis of Lignin/PAN Fibers from Sawdust. Fibers, 2024, 12(2), 27. DOI

12. Nazhipkyzy M., Maltay A.B., Seilkhanov T.M. Synthesis of Carbon Nanofibers from Lignin Using Nickel for Supercapacitor Applications. Fibers, 2024, 12(10), 87. DOI

13. Mansurov Z.A., Kurmanbekov A., Nazhipkyzy M., Kapysheva U.N., Cherednichenko G. COVID-19 Spread Chain Reactions. Mini Review. Research in Medical & Engineering Sciences, 2024, 10(5), RMES.000748. DOI

14. Tanirbergenova S., Dinistanova B.K., Tugelbayeva D.A., Moldazhanova G., Aitugan A., Taju K., Nazhipkyzy M. Synthesis of Cenospheres from Ash and Their Application. Journal of Composites Science, 2023, 7, 276. DOI

15. Nazhipkyzy M., Assylkhanova D., Araylim N., Seitkazinova A., Özsin G., Varol E.A. Effective Separation of Petroleum Oil-Water Mixtures via Flexible and Re-usable Hydrophobic Soot-Coated Melamine Sponge. Journal of Water Process Engineering, 2022, 49(8), 103032. DOI

16. Zekenova A., Nazhipkyzy M., Li W., Kalybayeva A., Zhumanova G., Zubova O. Advances of Biowaste-Derived Porous Carbon and Carbon–Manganese Dioxide Composite in Supercapacitors: A Review. Inorganics, 2022, 10(10), 160. DOI

17. Nazhipkyzy M., Maltay A.B., Askaruly K., Assylkhanova D., Seitkazinova A.R., Mansurov Z.A. Biomass-Derived Porous Carbon Materials for Li-Ion Battery. Nanomaterials, 2022, 12(20), 3710. DOI

18. Nazhipkyzy M., Yeleuov M., Sultakhan S.T., Maltay A.B., Zhaparova A.A., Assylkhanova D., Nemkayeva R.R. Electrochemical Performance of Chemically Activated Carbons from Sawdust as Supercapacitor Electrodes. Nanomaterials, 2022, 12(19), 3391. DOI

19. Nazhipkyzy M., Nemkayeva R.R., Nurgain A., Seitkazinova A.R., Dinistanova B.K., Issanbekova A.T., Zhylybayeva N., Bergeneva N.S., Mamatova G.U. The Use of Diatomite as a Catalyst Carrier for the Synthesis of Carbon Nanotubes. Nanomaterials, 2022, 12, 3710. DOI

20. Nazhipkyzy M., Harris P.J., Nurgain A., Nemkayeva R.R. Carbon Nanotubes Synthesized by CCVD Method using Diatomite and Shungite Minerals. Eurasian Chemico-Technological Journal, 2022, Vol. 24, No. 1, P. 3-11. DOI

21. Nazhipkyzy M., Assylkhanova D., Maltay A., Dinistanova B., Issanbekova A., Kudyarova Zh. Use of Vegetable Raw Materials as Electrode Materials for Li-Ion Batteries. Chemical Engineering Transactions, 2022, Vol. 95, P. 247-252. DOI

22. Li W., Nazhipkyzy M., Bandosz T.J. Inorganic Matter in Rice Husk Derived Carbon and Its Effect on the Capacitive Performance. Journal of Energy Chemistry, 2021, 57, P. 639-649. DOI

23. Nurgain A., Nazhipkyzy M., Zhaparova A.A., Issanbekova A.T., Alfe M., Musina A.S. Acid Modification of Diatomite-Based Sorbents. Eurasian Chemico-Technological Journal, 2020, Vol. 22, P. 157-164. DOI

24. Nazhipkyzy M., Esfahani H., Esfahani A., Mansurov Z., Seitkazinova A. Hydrophobic Carbon Soot Nanostructure Effect on the Coatings. Materials with Extreme Wetting Properties: Methods and Emerging Industrial Applications, Springer, 2021. DOI

25. Nazhipkyzy M., Tureshova G.O., Mansurov Z.A. Investigation of Conditions for the Creation of Hydrophobic Sand. Materials with Extreme Wetting Properties: Methods and Emerging Industrial Applications, Springer, 2021. DOI

Патенты

1. Елеуов М.А., Мансуров З.А., Таурбеков А.Т., Лесбаев Б.Т., Смагулова Г.Т., Приходько Н.Г. Способ получения графена и устройство для его осуществления. Патент на полезную модель № 5404 /РК/. Опубл. в Б.И., 2020.

2. Нажипқызы М., Зекенова А.А., Жапарова А.А., Устаева Г.С., Елеуов М.А., Курманбаева Г.Г. Способ изготовления электродов для суперконденсатора. Патент на полезную модель № 5833, 05.02.2021.

3. Лесбаев Б.Т., Приходько Н.Г., Мансуров З.А., Рахымжан Н.Б., Устаева Г.С., Елеуов М., Толынбеков А.Б., Марал Е.М. Способ получения наноструктурированного углеродного материала. Патент на полезную модель № 6465, 01.10.2021.

4. Елеуов М.А., Әбдісаттар Ә.Ә., Приходько Н.Г., Таурбеков А.Т., Толынбеков А.Б., Асқарұлы Қ. Способ изготовления пористого токосъемника для гибридных суперконденсаторов. Патент на полезную модель № 6564, 22.10.2021.

5. Лесбаев Б.Т., Приходько Н.Г., Нажипкызы М., Рахымжан Н.Б., Устаева Г.С., Елеуов М.А., Толынбеков А.Б., Марал Е.М., Малтай А.Б. Способ получения композитного материала системы углерод-никель. Патент на полезную модель № 7244, 01.07.2022.

6. Нажипкызы М., Курманбаева Г., Елеуов М., Сейтказинова А., Исанбекова А., Талгатқызы Ә. Способ изготовления электродов для суперконденсаторов. Патент на полезную модель № 8979, 2024/0109.2.

7. Нажипкызы М., Байборанова А., Жапарова А., Мансуров З., Жақсылықова Ә. Способ получения сорбентов на растительной основе. Патент на изобретение № 35488, 04.02.2022.

8. Нажипкызы М., Нұрғаин А., Асылханова Д., Жапарова А., Исанбекова А., Сейтказинова А. Способ получения гидрофобного спонжа на основе супергидрофобной сажи. Патент на изобретение № 35841, 09.12.2022.

9. Нажипкызы М., Тұрғанбай А., Лесбаев Б., Сейтказинова А. Способ получения лигниновых нановолокон. Патент на изобретение № 35439, 31.12.2021.

10. Нажипкызы М., Нұрғаин А., Тұрғанбай А., Жапарова А., Мансуров З. Способ изготовления мембран на основе природного диатомита. Патент на изобретение № 6794, 31.12.2021.

Основные проекты и исследования

Разработка рентабельного и масштабируемого метода синтеза графеноподобных структур из отходов биомассы для электрохимических накопителей энергии

Сроки реализации: 2022–2024

Цель: Разработка метода синтеза графеноподобных структур (ГПС) из отходов биомассы в объёмном количестве с требуемыми характеристиками для применения в качестве активных электродных материалов электрохимических накопителей энергии.

Результаты: Впервые были определены параметры ГПС, полученных из растительной биомассы после гидротермальной карбонизации (Т=100, 140, 170°C) с последующей термической активацией: массовый выход – (15-88%), размер кристаллитов – (13-21 нм) при степени графитизации – от 25 до 37% и количестве слоёв – 5-10 слоёв для всех прекурсоров. Установлено, что на удельную ёмкость суперконденсаторов влияет размер частиц ГПС, особенно при больших токах заряда/разряда. Предпочтительно применение частиц ГПС размером более 2 мкм. Графитизация ГПС снижает удельную ёмкость суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов, в связи с увеличением размеров кристаллитов ГПС и уменьшением удельной поверхности ГПС, но повышает сохраняемость ёмкости при больших токах заряда/разряда.

Получение нанокомпозитов из пищевых отходов и создание электродных материалов на их основе для суперконденсаторов

Сроки реализации: 2023–2025

Цель: Создание электродных материалов для создания высокоэффективных суперконденсаторов на основе пищевых отходов.

Результаты: Выявлены оптимальные условия синтеза пористых углеродных материалов (карбонизатов) из пищевых отходов в виде кожуры огурца и апельсинов. Благоприятными условиями процесса предварительной карбонизации являются: температура – 500°C, 600°C, 700°C, продолжительность – 2 часа, скорость нагрева 7,5°C/мин, скорость подачи аргона ~0,005 л/мин. Исследованы структура и морфология полученных активированных углей методами сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и Рамановской спектроскопии. Активированные угли были получены методом химической активации. В качестве химического активатора был выбран КОН, в соотношении к углеродному материалу 1:2. Активация проводилась при температурах 700, 800, 900°C, продолжительность активации составляла 2 часа. Изготовлены электродные материалы из активированных углей синтезированных методом термической активации карбонизатов. Образцы СPА600/800 и ОРА500/700 в качестве электродов продемонстрировали значительные электрохимические характеристики с удельными емкостями 278,8 Ф/г и 259,6 Ф/г при 2 А/г. Созданы электродные материалы из композитов на основе активированных углей с добавлением оксида никеля (II). Композит на основе активированной кожуры апельсина, модифицированный оксидом никеля при 0,1М концентрации (OPA500/700 0,1M NiO), показал высокую удельную емкость равную 296,4 Ф/г при 0,1 А/г (281,5 Ф/г при 2 А/г).

Композитные материалы для хранения водорода при комнатной температуре на основе интерметаллидов и пористого углерода

Сроки реализации: 2024–2026

Цель: Создание композитных материалов для хранения водорода на основе нанопористого углерода и интерметаллических наночастиц, а также исследование возможностей повышения их сорбционной емкости по водороду при комнатной температуре и давлениях, приемлемых для бортовых приложений с применением спилловер-эффекта.

Результаты: Были разработаны и оптимизированы методы получения нанопористого углерода из рисовой шелухи, отвечающих требованиям максимальной сорбции водорода, и мезопор, подходящих условиям темплантного синтеза наночастиц интерметаллидов. Сорбционная эффективность нанопористого углерода по водороду во многом зависит от структуры и размеров пор.

Перспективные разработки и инновации

Разработан рентабельный и масштабируемый метод синтеза графеноподобных структур (ГПС) из отходов биомассы для электрохимических накопителей энергии. Получение большого количества дешевых ГПС из биомассы, в перспективе, позволит их использовать в различных областях: для систем электрохимических накопителей энергии и хранения водорода, для водяных и газовых фильтров и нанокомпозитов различных типов. Доработка технологии до промышленного применения позволит использовать ГПС для различных целей отечественными организациями.

Команда

Всего сотрудников лаборатории на 2025 год: 14 чел. Состав сотрудников: 1 доктор химических наук, 2 кандидата химических наук, 4 PhD доктора, 3 PhD докторанта, 4 магистра.

Приходько Николай Георгиевич

Должность: Доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией.

Научные интересы: Синтез углеродных наноструктур различными методами (в пламени, пиролизом, гидротермальным методом и др.) и их применение.

Достижения: Автор более 250 научных трудов, включая 1 монографию, 2 учебника, 4 главы в книгах издательства «Nova Publisher» (США), 19 патентов. Количество статей в Scopus – 40, в Web of Science – 35. Индекс Хирша по Scopus – 9.

Контакты: nik99951@mail.ru, +7 (705) 174-74-09

Scopus

Лесбаев Бахытжан Тастанович

Должность: Кандидат химических наук, профессор, главный научный сотрудник.

Научные интересы: Фундаментальные и прикладные исследования в области химической физики, альтернативной энергетики, процессов горения, разработки композитных материалов, технологий хранения энергии, синтез и применение наноматериалов.

Достижения: Автор более 200 научных трудов, включая 1 монографию, 2 учебника, более 20 патентов. Количество статей в Scopus и Web of Science – свыше 40. Индекс Хирша по Scopus – 10.

Контакты: lesbayev@mail.ru, +7 (705) 775-79-75

Scopus

Нажипкызы Меруерт

Должность: Кандидат химических наук, профессор, ведущий научный сотрудник.

Научные интересы: Исследования в области химической физики, материаловедения, энергетики, процессов горения, разработки и применения композитных и наноматериалов.

Достижения: Автор более 170 научных публикаций, включая монографии, учебники и статьи. Количество статей в Scopus – 40, в Web of Science – 33. Индекс Хирша по Scopus/WoS – 7/7. Sponsored Researcher в Империал колледже Лондона (31.07.2024–31.05.2025).

Контакты: meruert82@mail.ru, +7 (775) 900-42-48

Scopus

Әуелханқызы Мөлдір

Должность: PhD доктор, ведущий научный сотрудник.

Научные интересы: Синтез, исследование характеристик и применение углеродных наноматериалов.

Достижения: Автор более 70 научных трудов, включая 3 монографии, 9 патентов и 11 научных и обзорных статей в ведущих казахстанских журналах. Количество статей в Scopus – 14, в Web of Science – 11. Индекс Хирша по Scopus – 8.

Контакты: auyelkhankyzy@gmail.com, +7 (702) 411-15-89

Scopus

Научное оборудование и технологии

Анализатор поверхности БЭТ

Модель: SSA-4000

Возможности: Полностью автоматический анализатор физической адсорбции для мультианализа мезопористых и макропористых наноматериалов, также может проводить простой анализ микропористых образцов. Измеряемая удельная площадь поверхности ≥0,0005 м²/г (N₂). Диапазон анализа размера пор 0,35–500 нм.

Применение: Определение удельной поверхности мезопористых и макропористых наноматериалов.

Доступность: Доступен для сотрудничества с внешними партнёрами по договорённости.

Прибор для измерения краевого угла смачивания

Модель: DSA25

Возможности: Метод измерения – неподвижная капля. Диапазон измерений: 0°–180°.

Применение: Определение краевого угла смачивания между жидкостью и твердой поверхностью.

Доступность: Доступен для сотрудничества с внешними партнёрами по договорённости.

Партнёрские связи и совместные проекты

Лаборатория сотрудничает с международными и национальными научными организациями:

Институт Нанотех, Техасский университет в Далласе, США (профессор А.А. Захидов): Исследования синтеза и применения углеродных наноматериалов.
Университет Васеда, Токио, Япония (профессор Сугуру Нода): Совместные проекты по наноматериалам.
The City College of New York, США (профессор Тереза Бандоз): Исследования углеродных материалов для энергетики.
Политехнический Институт Лейрии, Португалия (профессор Джефри Митчелл): Совместные разработки.
Université de La Rochelle, Франция (профессор Брахим Элоуди): Исследования наноматериалов.
Национальная нанотехнологическая лаборатория, КазНУ им. аль-Фараби, Казахстан: Совместные проекты.
ТОО «Физико-технический институт», Алматы, Казахстан: Разработка технологий.
Назарбаев Университет, Казахстан: Исследования в области нанотехнологий.
Сатбаев Университет, Казахстан: Совместные научные проекты.
Университет Хьюстона, США: Исследования углеродных наноматериалов.
Институт угля и углехимии (СО РАН), Россия: Совместные исследования.

Роль международного сотрудничества заключается в проведении исследовательских работ, обмене информацией, консультациях, совместных публикациях, участии в семинарах и обмене опытом.