Защита диссертации Адилхановной Дианы Сулейменова на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D05306 - Химия»

В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Адилхановной Дианы Сулейменова на тему ««Синтез катодных материалов на основе халькогенидов переходных металлов и их применение в сенсибилизированных красителем солнечных элементах»» по образовательной программе «8D05306 – Химия».

Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Химии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.

Язык защиты - на английском

Официальные рецензенты:

Онгарбаев Ердос Калимуллаулы – доктор химических наук, профессор, НАО «Казахский Национальный университет имени аль-Фараби» (г. Алматы, Республика Казахстан);

Тілеуберді Ербол – PhD, ассоциированный профессор, НАО «Казахский Национальный педагогический университет имени Абая» (г. Алматы, Республика Казахстан).

Временные члены Диссертационного совета:

Numan Arshid - PhD, профессор, Университет Санвей (г. Субанг-Джая, Малайзия);

Аргимбаева Акмарал Мухамбетовна – кандидат химических наук, ассоциированный профессор (доцент), НАО «Казахский Национальный университет имени аль-Фараби» (г. Алматы, Республика Казахстан);

Лепихин Максим Сергеевич – PhD, старший научный сотрудник, Лаборатория технологий электрохимических производств (г. Алматы, Республика Казахстан).

Научные консультанты:

Ташенов Ерболат Ордабекович – PhD, и.о.доцента кафедры химии НАО «Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан);

Robert J. O'Reilly – доктор философии (PhD), доктор медицины (MD), Лектор Школы науки и технологий Университета Новой Англии (г. Армидейл, Австралия).

Защита состоится: 13 мая 2026 года 15:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по образовательной программе «8D05306 – Химия» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Заседания диссертационного совета состоится в офлайн и онлайн формате.

Ссылка: https://teams.microsoft.com/meet/44389222445215?p=TATAOg28rKnkaPEigA 

Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, корпус №3, аудитория 333.

Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Сулейменовой Дианы Адилхановны на тему «Синтез катодных материалов на основе халькогенидов переходных металлов и их применение в сенсибилизированных красителем солнечных элементах», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D05306-Химия» Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена разработке, синтезу и комплексному исследованию без платиновых электрокаталитических катодных материалов (КМ) для применения в фотоэлектрохимических и фотоэлектрических устройствах, а в частности в сенсибилизированных красителем солнечных элементах (СКСЭ или ячейки Гретцеля). Основные результаты исследования представлены в серии опубликованных научных статей, посвящённых разработке КМ на основе халькогенидов переходных металлов, как эффективному и недорогому КМ вместо платины (Pt) для СКСЭ. Актуальность темы исследования. В условиях глобального энергокризиса, истощения традиционных источников энергии и ухудшения экологической обстановки возрастает необходимость разработки альтернативных, устойчивых и экологически чистых способов получения электроэнергии. Среди различных решений особое внимание привлекают солнечные элементы, как один из наиболее перспективных источников возобновляемой энергии. СКСЭ выделяются среди других фотоэлектрических устройств простотой производства, низкой стоимостью и возможностью эффективной работы при рассеянном освещении. Однако одним из ключевых ограничений их широкого промышленного внедрения остаётся необходимость повышения эффективности преобразования энергии, долговечности и стабильности устройств. Особую роль в функционировании СКСЭ играет катод, от свойств которого существенно зависит скорость регенерации окислительно-восстановительной пары и, как следствие, общая эффективность устройства. Традиционно в качестве КМ используется Pt для СКСЭ. Pt обеспечивает эффективный транспорт электронов на катоде и поддерживает регенерацию молекул окисленного красителя. Более того, Pt эффективно способствует восстановлению окисленных частиц в электролите благодаря ее низкому перенапряжению для реакции восстановления. Однако одним из недостатков использования Pt в качестве катода является его высокая стоимость, что ограничивает масштабируемость и доступность СКСЭ. Кроме того, Pt может разлагаться и окисляться жидким электролитом, особенно когда используется окислительно-восстановительная пара I-/I3-, что приводит к проблемам со стабильностью. В последнее время были предприняты обширные усилия по разработке КМ, не содержащих Pt. Идеальным материалом должен быть не только недорогим, но и обладать отличной электрокаталитической активностью по восстановлению I3- и высокой стабильностью. Среди различных изученных материалов халькогениды переходных металлов, такие как оксиды, сульфиды и селениды металлов, выделяются благодаря своей впечатляющей электрокаталитической активностью, химической стабильностью и широкой доступностью. Таким образом, тема докторской диссертации, связанная с разработкой синтеза и исследованием СКСЭ на основе халькогенидов переходных металлов в качестве КМ, представляется современной и актуальной. Цель исследования: синтез катодных материалов cенсибилизированных красителем солнечных элементов на основе халькогенидов переходных металлов и исследовать их каталитическую активность. Задачи исследования: 1. Планирование и синтез катодных материалов на основе халькогенидов переходных металлов; 2. Характеристика структуры и морфологии синтезированных электрокатализаторов с помощью современных методов анализа, таких как рентгеноструктурный анализ (РСА), сканирующий электронный микроскоп (СЭМ), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС), просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС); 3. Оценка каталитической активности синтезированных электрокатализаторов в качестве катодных материалов для СКСЭ. Объектами исследования являются катодные материалы на основе халькогенидов переходных металлов. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Установлено, что тройной сульфид Zn0.76Co0.24S синтезированный одностадийным сольвотермическим методом на подложке FTO, является эффективным и экономически выгодным КМ для СКСЭ. Показано, что Zn0.76Co0.24S обладает более высокой плотностью катодного тока, чем Pt, что свидетельствует о повышенной электрокаталитической активности при сопоставимой эффективности преобразования энергии (7,94% против 8,12%). Экспериментально подтверждено, что КМ демонстрирует превосходную долговременную стабильность, сохраняя работоспособность после 200 часов. 2. Установлено, что трехстадийный сольвотермический синтез нановолокон FeCo2S4 позволяет получить КМ с пониженным сопротивлением переносу заряда (RСТ ≈ 5,54 Ω•см2) по сравнению с Pt (≈ 7,07 Ω•см2). Показано, что СКСЭ на основе нановолокон FeCo2S4 достигают более высокую эффективность преобразования энергии (7,88% против 7,45%). Доказано, что фотоэлектрические устройства на основе нановолокон FeCo2S4 обладают повышенной эксплуатационной стабильностью, тогда как солнечные элементы на основе Pt демонстрируют снижение производительности. 3. Установлено, что тройной композит MWCNT@MnO/NiS является высокоэффективным и недорогим КМ для СКСЭ. Показано, что использование данного композита обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии 9,29%, превышающий показатель эталона Pt (8,54%). Экспериментально подтверждено, что низкое сопротивление переносу заряда (RСТ ≈ 0,53 Ω•см2) обеспечивает высокую электрокаталитическую активность и долговременную эксплуатационную стабильность. Научная новизна. - Впервые синтезированы и охарактеризованы новые КМ на основе тройного сульфида FeCo2S4 и тройного композита MWCNTs@MnO/NiS, обладающие высокой электрокаталитической активностью в реакциях восстановления I⁻/I3⁻ для СКСЭ. - Установлена взаимосвязь между составом, морфологией, структурными параметрами и каталитической активностью синтезированных материалов, что позволило определить ключевые факторы, влияющие на их эффективность в качестве альтернативы Pt для СКСЭ. - Показано, что использование FeCo2S4 и Zn0.76Co0.24S позволяет достичь значительных значений токовой плотности и степени восстановления редокс-пары, сопоставимых или превосходящих показатели эталонных Pt электродов. - Предложен новый подход к созданию композитного КМ на основе многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных MnO/NiS (MWCNTs@MnO/NiS), обеспечивающий синергетический эффект за счёт высокой проводимости углеродной матрицы и каталитической активности переходных металлов. - Проведено комплексное физико-химическое и электрохимическое исследование полученных катодных материалов методами РСА, СЭМ, ЭДС, ПЭМ, РФЭС, циклической вольтамперометрией и электрохимической импедансной спектроскопией, что позволило обоснованно оценить их потенциал для практического применения в составе СКСЭ. Теоретическая значимость работы заключается в развитии представлений о физико-химических свойствах халькогенидов переходных металлов, как перспективных КМ для фотоэлектрических устройств. В ходе исследования получены новые данные о влиянии морфологии, кристаллической структуры и химического состава на их электрохимические и оптические характеристики, что углубляет понимание процессов переноса заряда и взаимодействия материалов с фотосенсибилизаторами в конструкции СКСЭ. Результаты исследования расширяют теоретическую базу в области химии, материаловедения, нанотехнологий и электрохимической энергетики, а также в рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в области возобновляемых источников энергии и открывают новые подходы к инженерии функциональных наноструктур для эффективной конверсии солнечной энергии. Практическая значимость работы обусловлена разработкой и апробацией эффективных КМ на основе халькогенидов переходных металлов, которые могут быть использованы в составе СКСЭ. Полученные материалы продемонстрировали улучшенные характеристики, такие как высокая электропроводность, каталитическая активность и стабильность, что способствует повышению эффективности преобразования солнечной энергии и снижению себестоимости солнечных элементов. Разработанные методики синтеза являются воспроизводимыми, масштабируемыми и могут быть адаптированы для промышленного применения. Результаты исследования могут быть использованы в разработке новых поколений недорогих и экологически безопасных фотоэлектрических устройствах, а также в смежных областях, таких как биосенсоры, суперконденсаторы, литий-ионных батарей, электрохромных устройств, топливных элементов и каталитические системы. Связь работы с планом государственных научных программ. Данная работа получила финансовую поддержку Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № AP13068358 – «Недорогие твердотельные сенсибилизированные красителем солнечные элементы - новая стратегия развития отрасли», № AP23490505 – «Фотовольтаика для помещений на основе твердотельных сенсибилизированных красителем солнечных элементов усовершенствованной архитектуры»). Личный вклад автора заключался в постановке цели и задач исследования, проведении экспериментальной работы, интерпретации и представлении полученных результатов, подготовке научных статей для публикации в международных изданиях по теме диссертации. Все результаты, представленные в настоящей работе, получены соискателем самостоятельно или при его непосредственном участии. В первой статье под названием «Tailored manganese oxide and nickel sulfide composites with MWCNTs as platinum-free electrodes for solar energy conversion» автор провела основные эксперименты и анализ данных, а также подготовила первоначальный текст рукописи. Во второй статье, озаглавленной «Enhanced efficiency and stability of dye-sensitized solar cells utilizing FeCo2S4 nanowires as Pt-free counter electrodes», автор внесла свой вклад в программное обеспечение, ресурсы, методологию, формальный анализ, обработку данных и концептуализацию исследования. В третьей статье, озаглавленной «Efficient One-Step Synthesis of a Pt-Free Zn0.76Co0.24S Counter Electrode for Dye-Sensitized Solar Cells and Its Versatile Application in Photoelectrochromic Devices», автор внесла свой вклад в методологию, проведению исследования и подготовке первоначального варианта рукописи. Публикации. По результатам и выводам диссертационного исследования опубликовано 4 научных работ, из них 3 статьи – в международных рецензируемых изданиях с ненулевым импакт-фактором, индексируемых в базах Scopus и Web of Science; 1 статья – в издании, рекомендованном Комитетом по обеспечению качества в сфере образования и науки МНВО РК; 4 доклада – представлены на международной научной конференции и 1 патент Республики Казахстан. Список публикаций по результатам исследования: 1. Diana Suleimenova, Yerbolat Tashenov, Ayagoz Ibrayeva, Robert J O’Reilly, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P Balanay. Tailored manganese oxide and nickel sulfide composites with MWCNTs as platinum-free electrodes for solar energy conversion // Scientific Reports – 2025. - V. 15., Iss.1. – Article number 29723. https://doi.org/10.1038/s41598-025-14954-5 Статья выявлена в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В момент ее опубликования в 2025 году журнал «Scientific Reports» имеет Impact Factor (Импакт-фактор) за 2024 год равный 3.9 и квартиль по междисциплинарным наукам - Q1. Имеет CiteScore за 2024 год равный 6.7, процентиль по междисциплинарным наукам - 89. 2. Diana Suleimenova, Yerbolat Tashenov, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P Balanay. Enhanced efficiency and stability of dye-sensitized solar cells utilizing FeCo2S4 nanowires as Pt-free counter electrodes // Journal Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. - 2024, - V. 457. Article number 115908. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2024.115908 Статья выявлена в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В момент ее опубликования в 2024 году журнал «Photochemistry and Photobiology A: Chemistry» имел Impact Factor (Импакт-фактор) за 2023 год равный 4.1 и квартиль по химии, физической - Q2. Имел CiteScore за 2023 год равный 7.9, процентиль по общей физике и астрономии -86, по общей химической инженерии – 81, по общей химии – 81. 3. Yerbolat Tashenov, Diana Suleimenova, Bakhytzhan Baptayev, Salimgerey Adilov, Mannix P Balanay. Efficient One-Step Synthesis of a Pt-Free Zn0.76Co0.24S Counter Electrode for Dye-Sensitized Solar Cells and Its Versatile Application in Photoelectrochromic Devices // Nanomaterials. – 2023. - V. 13., Iss.20. – Article number 2812. https://doi.org/10.3390/nano13202812 Статья выявлена в базах данных Web of Science Core Collection и Scopus. В момент ее опубликования в 2023 году журнал «Nanomaterials» имел Impact Factor (Импакт-фактор) за 2022 год равный 5.3 и квартиль по химии, междисциплинарной, по материаловедению, междисциплинарной - Q2. Имел CiteScore за 2022 год равный 7.4, процентиль по общей химической инженерии – 81, по общему материаловедению - 78. В изданиях, рекомендованных уполномоченным органом: 4. Diana Suleimenova, Yerbolat Tashenov, Mannix P. Balanay, Bakhytzhan Baptayev. Unveiling the Potential of MnxCo3-xS4 Electrocatalyst in Triiodide Reduction for Dye-Sensitized Solar Cells // Bulletin of the Karaganda University. Physics Series. – 2023. - V. 111., № 3. – P. 58-64. https://doi.org/10.31489/2023ph3/58-64 Список работ, представленных на международных конференциях: 5. Diana Suleimenova, Ayagoz Ibrayeva, Bakhytzhan Baptayev, Yerbolat Tashenov, Mannix P. Balanay. Pt-free and efficient counter electrode with nanostructured MnCo2S4 for dye-sensitized solar cells. // The 10 International Conference on Nanomaterials and Advanced Energy Storage Systems, INESS-22, August 4-6, 2022, Nur-Sultan, Kazakhstan. 6. Diana Suleimenova, Yerbolat Tashenov, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P. Balanay. Pt-free and efficient counter electrode with FeCo2S4 nanowires for dye-sensitized solar cells. // The 12th International Conference on Nanomaterials and Advanced Energy Storage Systems (INESS-2024), August 7-9, 2024, Nazarbayev University, Astana, Kazakhstan. 7. Diana Suleimenova, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P. Balanay. FeCo2S4 nanowires as an effective counter electrode for dye-sensitized solar cells. // NU Annual Research Conference 2024, September 19-21, 2024, Nazarbayev University, Astana, Kazakhstan. 8. Diana Suleimenova, Bakhytzhan Baptayev, Mannix P. Balanay. Efficient dye-sensitized solar cells with easily fabricated Pt-free MnxOy/Ni3S4/MWCNT composite counter electrodes. // The 4th International Symposium on Emerging Materials and Devices, hosted by the Renewable Energy Lab at National Laboratory Astana, May 28-30, 2025, Nazarbayev University, Kazakhstan. Один патент Республики Казахстан: 9. Патент на полезную модель № 11168 от 19.09.2025г. Сулейменова Д.А., Ибраева А.К., Баланэй М.П., Баптаев Б.Д. «Способ получения электрокатализатора для солнечных элементов, сенсибилизированных красителем».

Диссертация

Список научных трудов

Отзыв научного консультанта

Отзыв зарубежного консультанта

Заключение комиссии по этической оценке исследований