Химик ЧелГУ создаёт «умный» углерод для аккумуляторов будущего
1 июля 2026 г.
Доцент кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов химического факультета ЧелГУ Дмитрий Ряшенцев вместе со студентами работает над созданием перспективного полупроводникового материала –— гамма-графина. Эта разработка может стать основой для сверхбыстрых суперконденсаторов, ёмких натрий-ионных батарей и гибкой микроэлектроники, а главное –— она обещает в разы удешевить производство углеродных наноматериалов за счёт отказа от драгоценных металлов.
Гамма-графин — это двумерный родственник знаменитого графена, но со своими особенностями. Если графен похож на сплошную пчелиную соту из атомов углерода, то в гамма-графине между бензольными кольцами вставлены жесткие ацетиленовые мостики (–C≡C–). Эта, казалось бы, небольшая модификация кардинально меняет физику: графен — металлический проводник, а гамма-графин становится полупроводником с регулируемой шириной запрещённой зоны. Именно это свойство открывает ему путь в транзисторы, где графен оказался бесполезен из-за отсутствия «выключателя» для тока.
Теоретически структуру гамма-графина рассчитали ещё в прошлом веке, но синтезировать упорядоченную решётку долго не удавалось. Первые лабораторные образцы появились только в 2015–2017 годах. Команда Дмитрия Ряшенцева решает следующую задачу: делает процесс воспроизводимым и доказуемым, чтобы чётко отличать целевой материал от аморфного углерода.
Гамма-графин — полностью синтетический и неразлагаемый углеродный аллотроп. Однако экологичность проекта заложена в химическом процессе: учёные отказались от классического палладиевого катализатора (цена грамма Pd сравнима со стоимостью смартфона). Вместо этого используются соли никеля, железа, кобальта и меди — металлов, которые в десятки и сотни раз дешевле. Это важный переход к «зелёному» и доступному массовому синтезу.
Гамма-графин найдёт применение сразу в двух сферах: в энергетике он станет идеальным материалом для электродов суперконденсаторов, обеспечивающих зарядку за секунды, и высокоёмких анодов для натрий-ионных аккумуляторов благодаря своей колоссальной удельной поверхности, а в электронике его полупроводниковые свойства (в отличие от металлического графена) открывают дорогу к полевым транзисторам, фотодетекторам, полупрозрачным электродам для солнечных батарей и элементной базе гибких дисплеев, где он способен заменить традиционные материалы.
На данный момент материал ещё не готов к промышленному выпуску, что вполне закономерно для соединения, синтезированного в лабораторных условиях всего несколько лет назад: сейчас команда находится на этапе «поиска идеального рецепта», варьируя катализаторы и условия реакции, а главными приоритетами являются достижение стопроцентной воспроизводимости свойств от партии к партии и отработка методов контролируемого роста углеродного слоя на больших подложках — только после решения этих двух фундаментальных задач можно будет всерьёз говорить о пилотном масштабировании, однако выбранный вектор на радикальное удешевление процесса (замена дорогого палладия на доступные никель и железо) уже задан, и первые экспериментальные результаты вселяют уверенный оптимизм.
Исследование перспективного углеродного материала — гамма-графина — ведётся на химическом факультете Челябинского государственного университета в рамках научной школы, признанной на международном уровне. Ранее результаты работ учёных ЧелГУ в области синтеза и изучения углеродных наноструктур уже были отмечены престижным международным издательством Wiley: одна из глав третьего тома коллективной монографии, выпущенной издательством, написана по итогам исследований, выполненных на физическом факультете ЧелГУ под руководством профессора Евгения Беленкова. Таким образом, текущий проект по синтезу гамма-графина является закономерным продолжением сложившихся в университете научных традиций в области химии и физики углеродных материалов.
Теоретически структуру гамма-графина рассчитали ещё в прошлом веке, но синтезировать упорядоченную решётку долго не удавалось. Первые лабораторные образцы появились только в 2015–2017 годах. Команда Дмитрия Ряшенцева решает следующую задачу: делает процесс воспроизводимым и доказуемым, чтобы чётко отличать целевой материал от аморфного углерода.
Гамма-графин — полностью синтетический и неразлагаемый углеродный аллотроп. Однако экологичность проекта заложена в химическом процессе: учёные отказались от классического палладиевого катализатора (цена грамма Pd сравнима со стоимостью смартфона). Вместо этого используются соли никеля, железа, кобальта и меди — металлов, которые в десятки и сотни раз дешевле. Это важный переход к «зелёному» и доступному массовому синтезу.
Гамма-графин найдёт применение сразу в двух сферах: в энергетике он станет идеальным материалом для электродов суперконденсаторов, обеспечивающих зарядку за секунды, и высокоёмких анодов для натрий-ионных аккумуляторов благодаря своей колоссальной удельной поверхности, а в электронике его полупроводниковые свойства (в отличие от металлического графена) открывают дорогу к полевым транзисторам, фотодетекторам, полупрозрачным электродам для солнечных батарей и элементной базе гибких дисплеев, где он способен заменить традиционные материалы.
На данный момент материал ещё не готов к промышленному выпуску, что вполне закономерно для соединения, синтезированного в лабораторных условиях всего несколько лет назад: сейчас команда находится на этапе «поиска идеального рецепта», варьируя катализаторы и условия реакции, а главными приоритетами являются достижение стопроцентной воспроизводимости свойств от партии к партии и отработка методов контролируемого роста углеродного слоя на больших подложках — только после решения этих двух фундаментальных задач можно будет всерьёз говорить о пилотном масштабировании, однако выбранный вектор на радикальное удешевление процесса (замена дорогого палладия на доступные никель и железо) уже задан, и первые экспериментальные результаты вселяют уверенный оптимизм.
«Гамма-графин часто называют «братом» графена, но это не совсем точно, — объясняет Дмитрий Ряшенцев. — Если графен — это идеальный проводник, то наш материал — это полупроводник, и именно это отличие делает его перспективным для электроники, где нужен не просто ток, а возможность этим током управлять. Мы встраиваем в углеродную сетку специальные «мостики» из тройных связей, которые меняют поведение материала. Главная задача сегодня — чистый эксперимент. Нужно не только получить вещество, но и с абсолютной уверенностью доказать, что это именно гамма-графин, а не его беспорядочная разновидность. Второй принципиальный момент — доступность. Классические методы синтеза требуют палладия, металла платиновой группы, цена которого запредельна для массового производства. Мы сознательно уходим от этой зависимости, заменяя палладий на соли никеля и железа. Это снижает себестоимость в десятки раз и делает технологию реальной для промышленности, а не только для лабораторных экспериментов. Конечно, до заводских рулонов ещё далеко — мы находимся на стадии отработки воспроизводимости и учимся управлять ростом материала на больших поверхностях. Но фундамент заложен, и мы работаем по плану: от стабильного образца — к воспроизводимому протоколу, а затем уже — к пилотному производству».
Исследование перспективного углеродного материала — гамма-графина — ведётся на химическом факультете Челябинского государственного университета в рамках научной школы, признанной на международном уровне. Ранее результаты работ учёных ЧелГУ в области синтеза и изучения углеродных наноструктур уже были отмечены престижным международным издательством Wiley: одна из глав третьего тома коллективной монографии, выпущенной издательством, написана по итогам исследований, выполненных на физическом факультете ЧелГУ под руководством профессора Евгения Беленкова. Таким образом, текущий проект по синтезу гамма-графина является закономерным продолжением сложившихся в университете научных традиций в области химии и физики углеродных материалов.
