Как казахстанские ученые создают наноматериалы будущего

В научно-исследовательском поле Казахстана произошло знаковое событие: группа ученых из Satbayev University успешно завершила серию испытаний инновационных MXene-наноматериалов.

Разработанный в Казахстане композит на основе двумерных структур продемонстрировал трехкратное превосходство по удельной емкости над традиционными компонентами аккумуляторов. Для Казахстана это реальный шаг к созданию собственной

базы высокотехнологичных накопителей энергии, способных конкурировать на мировом рынке.

MXene (максены) — это особые плоские кристаллы толщиной всего в несколько атомов. Благодаря своей структуре они проводят электричество почти как металл, но при этом могут впитывать и отдавать энергию с невероятной скоростью.

Современная цивилизация находится в состоянии перманентного поиска эффективных способов хранения энергии. Вопрос не в дефиците генерации, а в физических пределах существующих аккумуляторов.

В стенах Satbayev University (КазНИТУ имени К. И. Сатпаева) группа исследователей работает над решением этой фундаментальной задачи, используя MXene – класс двумерных неорганических соединений, способных радикально изменить ландшафт индустрии накопителей.

Фото: Satbayev University

Развитие высшей школы и академической науки в Казахстане сегодня смещается в сторону прикладного материаловедения. Исследование MXene-наноматериалов – это индикатор того, как программно-целевое финансирование и грантовая поддержка молодых ученых трансформируются в конкретные технологические решения.

Проект, реализуемый под эгидой Министерства науки и высшего образования РК, демонстрирует классический путь научной мысли: от теоретического моделирования двумерных структур до создания экспериментальных образцов, которые по своим характеристикам кратно превосходят традиционные аналоги. Участие в работе магистрантов и докторантов подчеркивает преемственность знаний и формирование новой интеллектуальной элиты, готовой работать на стыке химии, физики и инженерии.

Liter.kz поговорил с руководителем проекта, PhD доктором и ассоциированным профессором Satbayev University Калижаном Шакеновым. Ученый раскрывает технические нюансы работы и стратегические перспективы, которые открываются перед

отечественной наукой благодаря интеграции молодых кадров – магистрантов и докторантов – в реальный сектор высокотехнологичных разработок. 

– В чем заключается главная цель исследования, проводимого учеными Satbayev University?

– Разработка метода получения MXene материалов и их модификация путем внедрения в полученную структуру кремния и его соединений, конечный результат которого – материал, имеющий больше стабильности циклов заряда/разряда и удельной емкости для применения в качестве активного электродного материала в накопителях электрической энергии.

– Какими ключевыми физическими свойствами обладают двумерные наноматериалы MXene?

– Двумерные наноматериалы MXene обладают высокой электропроводностью ( 104–2⋅104 См/м), слоистой структурой, гидрофильностью, высокой механической прочностью, термической стабильностью, что делает их перспективными для применения в накопителях электрической энергии.

Фото: Satbayev University

– Какие дополнительные компоненты использовали исследователи для модификации MXene-материалов?

– Кремний и активированный уголь применялись при создании композитного материала на основе MXene.

– Как показатели удельной емкости нового композита соотносятся с характеристиками традиционного активированного угля?

– Результаты испытании показали, что полученный композитный материал (активированный уголь/MXene/кремний) превосходит активированный уголь в три раза по удельной емкости, достигая ~900-1000 мАч/г по сравнению с ~330 мАч/г для активированного угля при плотности тока 100 мА/г в полумонетных ячейках.

– В каких устройствах в перспективе могут применяться разработанные наноматериалы?

– Модифицированные MXene материалы имеют перспективу крупномасштабного применения при условии их успешного внедрения в производство электрохимических накопителей энергии нового поколения.

– Кто возглавляет данный научно-исследовательский проект?

– PhD, ассоциированный профессор кафедры Энергетика Satbayev University Калижан Шакенов.

– Какая стадия разработки достигнута на текущий момент (согласно упоминанию об экспериментальном образце)?

– На текущий момент полученный композитный материал проходит лабораторные испытания, что позволяет оценить его электрохимические характеристики, включая удельную емкость.

– Какие категории молодых ученых университета принимают активное участие в этой научной работе?

– В данной научной работе принимают активное участие молодые ученые, магистранты и докторанты Satbayev University.

– В рамках какой формы государственной поддержки (финансирования) реализуется данный проект?

– Данные научные исследования проводятся благодаря финансированию в рамках грантов для молодых ученых и программно-целевого финансирования МНВО РК.

– Каковы планы ученых на следующем этапе реализации технологического проекта?

– На следующем этапе реализации проекта планируется оптимизация состава и структуры композитного материала с целью повышения его электрохимических характеристик, а также проведение расширенных испытаний, включая изучение стабильности по удельной емкости материала при длительном электрохимическом.