Главная > Лаборатории > Лаборатория функциональных наноматериалов
Лаборатория функциональных наноматериалов
История
Лаборатория функциональных наноматериалов – одна из наиболее молодых лабораторий института. Создана в январе 2018 года с целью разработки новых перспективных методов получения наноматериалов с заданными характеристиками, усовершенствования и оптимизации существующих методов синтеза, создания новых функциональных наноматериалов для различного применения.
Первым заведующим лаборатории стала доктор PhD в области наноматериалов и нанотехнологий Смагулова Гаухар Толбаевна.
С 2024 года заведующим лаборатории является ассоциированный профессор, доктор PhD Павленко Владимир Валерьевич.
Описание лаборатории
Сфера исследований: Основная деятельность лаборатории сосредоточена на разработке новых функциональных наноматериалов для различных применений. В лаборатории ведутся работы по получению углеродных наноструктурированных материалов с заданными свойствами для нужд энергетики (суперконденсаторы, аккумуляторные батареи) и экологии (очистка воды методом емкостной деионизации), получению наноструктурированной целлюлозы из возобновляемых источников для целлюлозно-бумажной промышленности и др.
Основные задачи:
- Разработка и оптимизация процессов высокотемпературного пиролиза для получения углеродных материалов с ультравысокими значениями удельной площади поверхности из возобновляемых источников.
- Разработка темплатных методов получения нанопористых материалов с заданными свойствами пористой структуры для применения в системах хранения энергии, концентрирования благородных металлов и электрохимической очистки воды.
- Получение наночастиц металлов и их оксидов (Fe2O3, Al2O3, Fe3O4, Co3O4, NiO и др.) методом solution combustion и их применение в сенсорах и каталитических процессах.
- Синтез и исследование наноцеллюлозы.
- Получение полимерных и углеродных нановолокон методом электроспиннинга.
Результаты:
- Разработано несколько способов получения углеродных материалов из природного сырья с ультравысокими значениями удельной площади поверхности вплоть до 3500 м²/г.
- Разработана технология получения упаковочных материалов с применением наноцеллюлозы, полученной из различных отходов агропромышленного комплекса.
- Разработан дизайн модульной автономной установки для электрохимического опреснения солоноватых вод с производительностью не менее 50 л/сут.
Научные достижения и публикации
1. Ayaganov Z. et al. A comprehensive study on effect of carbon nanomaterials as conductive additives in EDLCs // Journal of Energy Storage. 2024. Vol. 78. P. 110035.
2. Wang J. et al. Sodium-ion diffusion coefficients in tin phosphide determined with advanced electrochemical techniques // Electrochemistry Communications. 2023. Vol. 150. P. 107488.
3. Supiyeva Z., Pan X., Abbas Q. The critical role of nanostructured carbon pores in supercapacitors // Current Opinion in Electrochemistry. 2023. Vol. 39. P. 101249.
4. Schrade S. et al. An asymmetric MnO2|activated carbon supercapacitor with highly soluble choline nitrate-based aqueous electrolyte for sub-zero temperatures // Electrochimica Acta. 2022. Vol. 425. P. 140708.
5. Pavlenko V. et al. A comprehensive review of template-assisted porous carbons: Modern preparation methods and advanced applications // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2022. Vol. 149. P. 100682.
6. Pavlenko V. et al. Revisiting the carbon mesopore contribution towards improved performance of ionic liquid–based EDLCs at sub-zero temperatures // Ionics. 2022. Vol. 28, № 2. P. 893–901.
7. Daulbayev C. et al. The recent progress in pitch derived carbon fibers applications. A Review // South African Journal of Chemical Engineering. 2021. Vol. 38. P. 9–20.
8. Barzegar F. et al. Tuning the Nanoporous Structure of Carbons Derived from the Composite of Cross-Linked Polymers for Charge Storage Applications // ACS Appl. Energy Mater. American Chemical Society, 2021. Vol. 4, № 2. P. 1763–1773.
Патенты
Супиева Ж.А., Темиркулова К.М., Захаров А.Ю., Аяганов Ж.Е., Павленко В.В. Патент на полезную модель № 9317. Гибридный суперконденсатор. 2024.
Мансуров З.А., Балтабай А.С., Кенешбекова А.М., Смагулова Г.Т., Кайдар Б.Б., Таурбеков А.Т., Имаш Ә.А. Патент на полезную модель №9573. Способ получения целлюлозных волокон из растительного сырья. 2024.
Захаров А.Ю., Тукешева А.В., Павленко В.В. Патент на полезную модель №8422. Устройство для емкостной деионизации воды. 2023.
Павленко В.В., Аяганов Ж.А., Супиева Ж.А. Патент на полезную модель №8225. Гибридный суперконденсатор. 2023.
Мансуров З.А., Кайдар Б.Б., Смагулова Г.Т., Имаш А.А., Максумжанова Н.Р., Тилеуберди Е., Артыкбаева М.Т. Патент на полезную модель №6867. Способ получения углеродных нановолокон. 2022.
Мансуров З.А., Смагулова Г.Т., Қайдар Б.Б., Имаш Ә.А., Таурбеков А.Т., Тасмурзаев Н.М., Амангелды Б.С. Патент на полезную модель №7580. Способ получения газочувствительных композиционных волокон. 2022.
Мансуров З.А., Сейтхан А., Летиция В., Питер Л., Досжанов Е.О., Имаш А.А., Жантикеев У.Е., Сулейменова М.Е. Патент на полезную модель №7567. Способ получения модифицированного активированного угля. 2022.
Приходько Н.Г., Мансуров З.А., Смагулова Г.Т., Кайдар Б.Б., Есболов Н.Б., Ким С., Артыкбаева М.Т. Патент на полезную модель №3736. Способ получения углеродных нанотрубок. 2019.
Основные проекты и исследования
Разработка комбинированной системы для опреснения и очистки воды от органических токсичных загрязнителей
Сроки реализации: 2024–2026
Цели: Разработка и создание интегрированной системы, позволяющей нивелировать фундаментальные ограничения технологии емкостной деионизации в области очистки воды от неполярных загрязнителей за счет объединения модулей емкостной деионизации воды и каталитического окисления органических примесей.
Понимание процессов межфазного взаимодействия углерода и йода для быстрого накопления энергии
Сроки реализации: 2024–2026
Цель: Разработать цинк/йодный аккумулятор с 70-80 Вт·ч/кг при мощности 1 кВт/кг и стабильностью в течение 10 000 гальваностатических циклов заряда/разряда и гибридный суперконденсатор с высокой энергией 20-25 Вт·ч/кг при мощности 10 кВт/кг и цикличностью 500 000 гальваностатических циклов заряда/разряда.
Нанокомпозиты на основе полианилина усиленные наночастицами оксидов металлов и углеродными наноструктурами для применения в качестве хеморезистивных детекторов
Сроки реализации: 2023–2025
Цели: Проведение комплексных исследований по созданию новых газочувствительных нанокомпозитов на основе полианилина, усиленные наночастицами оксидов металлов (MOx) и/или углеродными наноструктурами для детектирования загрязнителей воздуха, с дальнейшей разработкой образца готового сенсорного устройства и проведением тестовых испытаний в условиях города, подготовка программного обеспечения для функционирования сенсорного устройства и разработка WEB-приложения.
Получение целлюлозных материалов на основе отходов растительного сырья и минеральных добавок
Сроки реализации: 2022–2024
Цель: Разработка методики получения композиционных целлюлозных материалов на основе отходов растительного сырья и минеральных наполнителей; определение оптимальных параметров синтеза и соотношений целлюлозы и минеральных наполнителей, закономерностей влияния структуры полученных композитов на физико-химические, в том числе прочностные характеристики; создание опытных образцов бумаги на основе целлюлозы и минеральных наполнителей.
Результаты: В рамках проекта был проведен анализ растительного сырья (опавшие листья, рисовая шелуха, скошенная трава) для получения целлюлозы с использованием химико-термической обработки. Установлены оптимальные условия обработки для максимального выхода целлюлозы, особенно из скошенной травы, которая продемонстрировала высокие результаты по содержанию целлюлозы и низкой зольности. Для улучшения прочностных характеристик картона и бумаги исследованы минеральные наполнители (волластонит, диатомит, сульфат бария) и технологические добавки (канифольный клей, полиакриламид, сульфат алюминия). Определены оптимальные соотношения компонентов для производства картона, соответствующего ГОСТу. Проведено отбеливание целлюлозы для улучшения визуальных свойств. Результаты показали перспективность переработки растительных отходов, улучшение механических свойств материалов и экологическую эффективность. В дальнейшем планируется коммерциализация проекта для полупромышленного производства.
Разработка энергонезависимой высокопроизводительной системы очистки на основе обратимой электросорбции ионов с использованием емкостных деионизационных ячеек
Сроки реализации: 2022–2024
Цели: Разработка способа высокопроизводительной очистки воды от содержащихся в ней солей поваренной соли, солей тяжелых металлов, органических загрязнителей, биологических контаминантов, а также создание прототипа интегрированной модульной системы автоматической очистки воды с использованием солнечной энергии для автономного применения в отдаленных регионах Республики Казахстан.
Результаты: Разработана и осуществлена технология синтеза пористых углеродных материалов из рисовой шелухи со сверхвысокими значениями удельной площади поверхности. Разработан и оптимизирован дизайн ячеек для применения в системах конвенциональной, мембранной и инверсионной емкостной деионизации. Протестированы три типа систем емкостной деионизации, определены их ключевые характеристики, проведен технико-экономический анализ. Проведена разработка и сборка модульной системы, позволяющей опреснять не менее 50 л солоноватой воды в сутки.
Разработка гибридных электрохимических конденсаторов высокой удельной энергоемкости с окислительно-восстановительными электролитами на основе экологически безопасных иодидов и нанопористых углеродных материалов
Сроки реализации: 2021–2023
Цели: Исследование и разработка нового гибридного конденсатора, созданного на основе высокоемкого окислительно-восстановительного электрода на основе углерода/йодида и электрода с двойным электрическим слоем (ДЭС) для применения в передовых технологиях накопления энергии.
Результаты: Проведено исследование корреляции между объемом пор в положительном электроде из различных шаблонов углерода и разрядной емкостью, а также получение микропористого углерода, мезопористых углей, физико-химическое исследование углеродных материалов. Оценено влияние ширины пор и объема пор положительного электрода на электрохимический процесс окисления-восстановления йодидов и разрядную емкость. Проведен анализ оптимального соотношения масс положительного и отрицательного электрода. Разработаны оптимизированные гибридные электрохимические конденсаторы в сборе с положительным (аккумуляторным) электродом и отрицательным (ДЭС) электродом из пористых углеродных материалов и были проведены электрохимические исследования 2-х и 3-х электродных гибридных ячеек.
Перспективные разработки и инновации
Прототип автономной модульной системы получения пресной воды из солоноватых подземных вод. Технология находится на стадии лабораторного прототипа, позволяющего опреснять 50 л воды соленостью ~1.5 г/л в сутки. Питание установки осуществляется за счет солнечной энергии.
Команда
Павленко Владимир Валерьевич
Доктор PhD, ассоциированный профессор, заведующий лабораторией. В 2015 году получил степень доктора PhD по специальности "Наноматериалы и нанотехнологии". В настоящее время работает ассоциированным профессором кафедры ЮНЕСКО по устойчивому развитию Казахского Национального Университета им. аль-Фараби и заведующим лабораторией функциональных наноматериалов Института проблем горения. Имеет ряд публикаций в высокорейтинговых изданиях, в том числе журналах Carbon, Journal of Energy Storage, Electrochimica Acta, ACS Applied Energy Materials и пр. Область научных интересов включает нефтехимию, разработку систем преобразования и хранения энергии, системы очистки воды и выделения редких металлов, методы получения адсорбентов и функциональных нанопористых материалов.
Контакты: Vladimir.Pavlenko@kaznu.edu.kz, Scopus ID: 55446945500, OrcID: 0000-0002-3923-5822
Смагулова Гаухар Толбаевна
Доктор PhD, ведущий научный сотрудник. Занимается вопросами синтеза наноматериалов для различных практических применений: системы хранения энергии, солнечная энергетика, создание покрытий на основе отходов растительного сырья, электропроводящих материалов и суперконденсаторов повышенной емкости, переработки растительных и промышленных отходов. Автор 5-и патентов, имеет более 100 публикаций в рейтинговых журналах РК и зарубежных стран, в том числе индексируемых базой Scopus и Thomson Reuters, а также в тезисах докладов международных конференций и симпозиумов. Прошла научные стажировки в США (University Texas at Dallas) и Японии (Waseda University). Член редколлегии журнала Eurasian Chemico-Technological Journal, научно-популярного сборника «Наука: день сегодняшний, завтрашний». Победитель битвы SPRING'17 от Almaty Tech Garden. В 2017 году команда КазНУ им. аль-Фараби под руководством Смагуловой Г.Т. одержала победу в конкурсе «Student Energy Challenge». Лучший молодой ученый КазНУ им. аль-Фараби-2019, победитель конкурса NURINTECH.
Контакты: smagulova.gauhar@inbox.ru, Scopus ID: 56941867600, OrcID: 0000-0002-2943-5222
Супиева Жазира Асылбековна
Доктор PhD, ведущий научный сотрудник. В 2021 году получила степень доктора PhD по специальности «Наноматериалы и нанотехнологии». В настоящее время работает научным сотрудником в Институте проблем горения, преподает на химико-технологическом факультете КазНУ им. Аль-Фараби. Область научных интересов включает электрохимические суперконденсаторы, углеродные наноматериалы.
Контакты: zhazyra@mail.ru, Scopus ID: 57203411241, OrcID: 0000-0002-5221-8605
Имаш Айгерим Абайкызы
Студент докторантуры КазНУ им. аль-Фараби по специальности «Нанотехнологии и наноматериалы в химии», научный сотрудник Института проблем горения. Магистр естественных наук по образовательной программе: «Прикладная и инженерная физика» КазНИТУ им. К.И. Сатпаева. Область научных интересов: синтез углеродных наноматериалов, синтез наночастиц оксидов металлов методами жидкофазного горения, получение композиционных волокон методом электроспиннинга и экструзии, исследование их свойств и применение в газовых сенсорах. Автор 4 патентов, более 20 научных статей.
Контакты: imash.aigerim@icp.kz, Scopus ID: 57567967400, OrcID: 0000-0003-3792-6512
Аяганов Жанибек Ерболович
Докторант PhD, научный сотрудник. В 2020 окончил магистратуру физико-технического факультета КазНУ им. Аль-Фараби по специальности «Наноматериалы». В настоящее время работает научным сотрудником в Институте проблем горения. Область научных интересов включает электрохимические суперконденсаторы, углеродные наноматериалы, тонкие пленки.
Контакты: zhanibek13@gmail.com, Scopus ID: 57201895906, OrcID: 0000-0002-5239-3147
Балтабай Акниет Садуахаскызы
Студент докторантуры КазНУ им. аль-Фараби по специальности «Биотехнология», научный сотрудник Института проблем горения. Магистр естественных наук по образовательной программе: «Биотехнология» КазНИТУ им. К.И. Сатпаева. Область научных интересов включает темы, связанные с экологией, биотехнологией и устойчивым развитием. Исследования сосредоточены на анализе экологической безопасности, включая воздействие различных материалов и технологий на окружающую среду и разработку методов минимизации этого воздействия.
Контакты: bakniyet@gmail.com, Scopus ID: 58547761700
Захаров Александр Юрьевич
Специалист, научный сотрудник. В 2019 году окончил специалитет Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова по специальности «Неорганическая химия». В настоящее время работает научным сотрудником в Институте проблем горения. Область научных интересов включает системы емкостной деионизации вод, разработку способов получения углеродных адсорбентов.
Контакты: alexan.zakharov@ya.ru, Scopus ID: 57304327200, OrcID: 0000-0003-4893-3857, Colab ID: R-338A6-0CB53-DX20H
Артыкбаева Мерует Толбаевна
Магистр, научный сотрудник Института проблем горения. Область научных интересов – исследование экологических аспектов синтеза наноматериалов, получение углеродных волокон. Исполнитель проекта на весь период, выполнение экспериментов, участие в конференциях, написание статей.
Алексан Георгий Витальевич
Магистр, специалист Института проблем горения. Область научных интересов: наноматериалы, электрохимия, емкостная деионизация воды.
Научное оборудование и технологии
Информация о ключевом оборудовании и технологиях, доступных в лаборатории, и их возможностях отсутствует.
Научное оборудование и технологии
Ключевое оборудование и технологии, доступные в лаборатории:
| Предмет | Название | Назначение | Доступность |
|---|---|---|---|
 |
Лабораторная бумажно-формовочная установкаSKZ124B | Формирование бумажных и картонных листов, Обработка бумажных масс,Изготовление опытных образцов диаметром 200 мм | Доступен для сотрудничества с внешними партнёрами по договорённости |
 |
Измеритель прочности при складывании бумаги NG-623 | Тестирование прочности бумаги, картона и других листовых материалов при многократном сгибании, определения прочности материалов по методу MIT и контроля качества продукции | |
 |
Анализатор для испытания бумаги на разрыв NG-601 | Проверка прочности гофрированной бумаги, используемой для упаковки электронных устройств, электрических изделий, оборудования и.т.д. Определение сопротивления разрыву для различных типов тканей и синтетических кожаных материалов | |
 |
ГазоанализаторTesto 300 | Расчет концентрации СО2, СО, O2, H2, измерение тяги, дифференциальное и абсолютное давление, расчет КПД, потери тепла с дымовыми газами | |
  |
Высокотемпературные одно- и трехзонные горизонтальные и вертикальные печи | Синтез углеродных материалов | |
 |
Уплотнительная машина 3 в 1 для верхней и боковой герметизации TMAX-SFZ200 | Создание суперконденсаторов Pauch-Cell | |
 |
Настольный многопараметрический измеритель качества воды Bante900 | Измерение количественно-качественного состава растворов | |
 |
ТестераккумуляторовNeware BTS4000 | Электрохимическиеизмерения/ тестирование суперконденсаторов | |
  |
Бипотенциостаты BioLogic, Corrtest, Elins | Проведение электрохимических измерений |
Партнёрские связи и совместные проекты
Описание связей с другими научными учреждениями, промышленными партнёрами и международные проекты отсутствует.
Награды и признание
Павленко В.В. Лучший молодой ученый Института Проблем Горения-2023, лауреат государственной стипендии для талантливых молодых ученых.
Смагулова Г.Т. Победитель битвы SPRING'17 от Almaty Tech Garden, Лучший молодой ученый КазНУ им. аль-Фараби-2019, победитель конкурса NURINTECH.
Супиева Ж.А. Лучший молодой ученый КазНУ-2023, Лучший молодой ученый Института Проблем Горения-2024. Обладатель стипендии JESH (Joint Excellence in Science and Humanities) от Австрийской академии наук сроком на 4 месяца (01.05.2024-31.08.2024 гг.). Награждена «Құрмет грамотасы» Министерства науки и высшего образования РК подписанного министром С. Нурбек в честь Дня Республики 25 ноября 2023 г.
Иная информация
Дополнительная информация отсутствует.
