Защита диссертации Ракишевой Сании Ренатовны на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140 - Наноматериалы и нанотехнологии»

В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Ракишевой Сании Ренатовны на тему «Разработка композитных трековых мембран на основе металлорганических каркасов для сорбционного удаления уранил ионов» по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии».

Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.

Язык защиты - на русском

Официальные рецензенты:

Ефремов Сергей Анатольевич – доктор химических наук, профессор, профессор кафедры аналитической, коллоидной химии и технологии редких элементов НАО «КазНУ им. аль-Фараби», (г. Алматы, Республика Казахстан);

Мельникова Галина Борисовна – кандидат физико-математических наук, доцент  учёный секретарь Отделения физико-технических наук Национальной академии наук Беларуси, (г. Минск, Республика Беларусь).

Временные члены Диссертационного совета:

Виноградов Илья Игоревич – PhD, начальник сектора Центра прикладной физики Лаборатории ядерных реакций им. Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований  (г. Дубна, Российская Федерация);

Кливенко Алексей Николаевич - PhD, ассоциированный профессор, директор Shakarim Lab (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан);

Амитова Айгуль Амантаевна – PhD, ведущий научный сотрудник ТОО «Kazakhstan Oil group» (г. Актау, Республика Казахстан).

Научные консультанты:

Машенцева Анастасия Александровна – доктор PhD, профессор-практик кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий, НАО «Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан)

Murat Barsbay - доктор PhD, профессор кафедры химии, факультета науки университета Hacettepe (г. Анкара, Турция)

Защита состоится: 9 июня 2026 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по специальности «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Заседание диссертационного совета состоится в смешанном (офлайн и онлайн) формате.

Ссылка: https://clck.ru/3TS9bD 

Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана 13, аудитория 309.

Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ Диссертационной работы Ракишевой Сании на тему «Разработка композитных трековых мембран на основе металлорганических каркасов для сорбционного удаления уранил ионов», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии» Общая характеристика работы. Диссертационная работа посвящена разработке метода модификации трековых мембран на основе полиэтилентерефталата (ПЭТФ ТМ) металл-органическими каркасами (MOF) типа MIL-101(Cr), в том числе и допированием наночастицами, и исследованию возможности применения данных композитных материалов в процессах сорбционного удаления ионов урана U(VI). Актуальность работы. Анализ современных тенденций развития мировой экономики показывает, что в условиях роста спроса на энергию и ограниченности ископаемых ресурсов значение ядерной энергетики будет постоянно возрастать. Уран является основным топливом для ядерных реакторов, однако его запасы в наземных рудах ограничены, что стимулирует поиск альтернативных источников и эффективных методов его извлечения. Одновременно уран, являясь тяжелым природным радионуклидом, представляет серьезную экологическую опасность, поскольку сточные воды атомной промышленности и добычи руды могут загрязнять водную среду. Учитывая значительные запасы урана в недрах Республики Казахстан и лидирующие позиции страны по его добыче, разработка эффективных методов извлечения урана из водных растворов является актуальной и востребованной задачей. В последние годы предложены различные методы извлечения U(VI) из растворов, включая ионный обмен, экстракцию растворителем, со-осаждение и флотацию. Среди них адсорбция считается одним из наиболее эффективных и экономичных способов удаления урана из водной среды. Особый интерес представляют металлоорганические каркасы (MOF), обладающие высокой площадью поверхности, регулируемой пористой структурой и возможностью пост-синтетической модификации, что делает их перспективными материалами для селективной адсорбции ионов урана. В данной работе предлагается разработка мембранных сорбентов на основе ПЭТФ трековых мембран (ПЭТФ ТМ) и металлоорганических каркасов (MOF), сочетающих высокую механическую и химическую устойчивость мембран с развитой поверхностью. Для повышения сорбционной емкости и селективности планируется проведение пост синтетической модификации каркасов с использованием методов «клик-химии». Неслучайно именно за разработку «клик-химии» в 2022 году Каролин Бертоцци, Барри Шарплессу, а также Мортену Мельдалу была присуждена Нобелевская премия по химии [1]. Данная стратегия основана на высокоселективных реакциях, протекающих быстро и с минимальным образованием побочных продуктов, что делает её одним из наиболее эффективных инструментов модификации функциональных материалов. Использование такого подхода позволит создать перспективные сорбционные материалы для эффективного извлечения ионов урана из водных растворов. Цель диссертационного исследования. Экспериментальная разработка новых эффективных и высокоселективных сорбентов ионов урана (VI) на основе ПЭТФ трековых мембран, модифицированных металлоорганическими каркасами (MOF) серии MIL-101 на основе хрома, в том числе с импрегнированными наночастицами металлов, а также комплексное исследование свойств полученных композитных трековых мембран в процессах сорбционного удаления ионов урана (VI) в модельных системах. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач: - Исследование особенностей процессов направленной модификации ПЭТФ ТМ поли(N-винилформамидом) (PNVF) методом RAFT-инициированной полимеризации с последующей конденсацией для насыщения образцов алкиновыми фрагментами. - Исследование возможности применения приемов «клик-химии» для иммобилизации MOF MIL-101(Cr) на поверхности модифицированных ПЭТФ ТМ. - Исследование кинетики и механизма сорбционного удаления ионов урана (VI) в присутствии композитов MOF@ПЭТФ ТМ. - Исследование влияния природы восстановителя на структуру и сорбционные свойства азид-модифицированного MIL-101(Cr) MOF, модифицированных наночастицами серебра. - Исследование влияния способа модификации MOF@ПЭТФ ТМ наночастицами серебра и оксида железа на их сорбционные характеристики в процессах селективного удаления ионов урана (VI). Объект исследования. Композитные материалы на основе микропористых полимерных ТМ на основе ПЭТФ, модифицированных функциональными мономерами и металлорганическими каркасами (MOF) на основе MIL101 (Cr) и с иммобилизированными наночастицами серебра Ag и оксида железа Fe3O4. Связь работы с планом государственных научных программ. Настоящая работа выполнялась в рамках проекта грантового финансирования МНиВО РК «MOF декорированные трековые мембраны для селективной и эффективной сорбции ионов урана (IV): теоретические расчеты и экспериментальная проверка» (ИРН AP19676626, срок реализации 2023–2025 гг.) и проекта МИЦНТ СНГ ОИЯИ «Синтез композитных сорбентов на основе Cr(азид)@MOF-ПЭТФ трековых мембран, модифицированных наночастицами оксида железа» (договор №25-112, срок реализации 12.05.2025-12.10.2025). Научная новизна работы. Впервые определены оптимальные условия модифицирования ПЭТФ ТМ методом RAFT-опосредованной прививочной полимеризации N-винилформамидом (NVF) и последующего гидролиза, обеспечивающие высокую конверсию NVF в поливиниламин (PVA), что позволяет в последующем методом конденсации впервые синтезировать алкин@ПЭТФ ТМ. Впервые с применением приемов «клик-химии» были синтезированы композитные ТМ, модифицированные MOF типа MIL-101(Cr) и определены оптимальные условия процесса. При изучении процессов сорбционного удаления ионов урана (VI) в присутствии композитов MOF@ПЭТФ ТМ установлено, что кинетика сорбции наилучшим образом описывается моделью псевдо-второго порядка и адсорбция U(VI) на MOF@ПЭТФ ТМ, вероятно, обусловлена хемосорбцией, включающей взаимодействия между ионами U(VI) и специфическими активными центрами, такими как карбоксилатные или азидные триазольные группы. Среди протестированных моделей изотерма Фрейндлиха обеспечила наилучшее соответствие (R²=0,997), что свидетельствует о том, что адсорбция происходит на гетерогенной поверхности MOF@ПЭТФ ТM с различным диапазоном энергий связи. При изучении процесса модификации азид-производного MOF типа MIL-101(Cr) НЧ серебра установлено, что применение гидразин-гидрата и боргидрида натрия позволяет синтезировать НЧ серебра размерностью порядка 50,22 ± 2,1 нм и обеспечивает наиболее высокую сорбционную емкость образцов при удалении уранил ионов. При изучении влияния способа иммобилизации наночастиц серебра и оксида железа в структуру MOF@ПЭТФ ТМ установлено, что предварительная модификация модифицированного MOF типа MIL-101(Cr) указанными наночастицами не только улучшает эффективность композитных сорбентов, но и снижает время достижения сорбционного равновесия в 2,5 раза. Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Проведение RAFT-опосредованной прививочной полимеризации N-винилформамидом (NVF) (10% мономера, 4 ч, бутанол) приводит к достижению максимальной степени прививки 14,0%. Последующий гидролиз сопровождается увеличением концентрации аминогрупп до 26,87 нмоль/см², что приводит к формированию на поверхности ПЭТФ ТМ привитого слоя поливиниламина. Иммобилизация MOF типа MIL-101(Cr) в присутствии катализатора DCC обеспечивает загрузку MOF порядка 2.3% (ат.вес) в течение 72 ч реакции, при этом дальнейшее увеличение времени реакции не влияет на повышение степени загрузки MOF. Композит MOF@ПЭТФ ТМ обеспечивает эффективную сорбцию ионов урана(VI) при рН=6,3, равную 418.0 мг/г, время достижения равновесия - 96 ч. Кинетика процесса сорбции соответствует модели псевдо-второго порядка с константой скорости 4.38×10-4 г/мг×мин, а механизм сорбции может быть описан изотермой Фрейндлиха с коэффициентом детерминации R2=0.99. При этом MOF@ПЭТФ ТМ композит имеет высокую селективность по отношению у уранил ионам с коэффициентом распределения 7,97 × 10⁷ мл/г. Применение экологичного восстановителя боргидрида натрия при иммобилизации наночастиц серебра на азид-производное MOF типа MIL-101(Cr) повышает его сорбционную емкость более чем на 91,57% по сравнению с исходным MOF и более чем на 71,47% и на 81,57% по сравнению с образцами, восстановленными DMAB и аскорбиновой кислотой, соответственно. Модификация композита MOF@ПЭТФ ТМ наночастицами Fe3O4 позволяет не только повысить сорбционную емкость более чем на 20%, но и значительно сократить время достижения сорбционного равновесия с 96 ч до 48 ч. Практическая значимость работы. Полученные в результате проведенных исследований композитные сорбенты типа MOF@ПЭТФ ТМ могут быть успешно применены для испытаний в реальных условиях предприятий и стать основой для разработки наукоемкой продукции. По результатам исследований подана патентная заявка на полезную модель (заявка № 2026/0638.2). Личный вклад автора заключается в анализе литературных источников, проведении экспериментальных и расчётных работ, интерпретации, теоретическом обосновании, обобщении, обсуждении полученных результатов, подготовке и оформлении графиков, подготовке рукописи статьи. Апробация работы. Основные положения, выводы и научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: NANOTR-18. (Стамбул, 2024); V International Scientific Forum, Nuclear Science and Technologies. (Almaty, 2024); INESS 13th International Conference on Nanomaterials & Advanced Energy Storage Systems, (Астана, 2025); XVI Международная научная конференция "Мембраны-2025" (Минск, 2025). Публикации. Основные результаты диссертационного исследования отражены в 10 опубликованных работах, из них 2 статьи в научных изданиях, входящих в первый и/или второй квартиль по импакт-фактору по данным Journal Citation Reports (Жорнал Цитэйшэн Репортс) компании Clarivate Analytics (Кларивэйт Аналитикс); 3 статьи в изданиях, рекомендованных уполномоченным органом и 5 работ в материалах республиканских и международных конференций: В одной публикации в научном издании, входящем в первый квартиль по импакт-фактору по данным Journal Citation Reports соискатель является первым автором: Rakisheva S.R., Mashentseva A.A., Yessengaliyeva N.B., Barsbay M., Abuova F.U., Zheltov D.A. MOF-decorated track-etched membranes for the U(VI) ions sorption removal. // Scientific Reports. – 2025 – Vol.15. – P. 36454 (Web of Science: Q1 - Multidisciplinary sciences; Scopus: 89% – Multidisciplinary). Mashentseva A.A., Sütekin D.S., Rakisheva S.R., Barsbay M. «Composite Track-Etched Membranes: Synthesis and Multifaced Applications//Polymers– 2024. – Vol. 16. – P.2616. // Polymers. – 2022. – Vol.16. – P. 2616. (64 p.), (Web of Science: Q1 - Polymer Science, Q1 – Polymers and Plastics; Scopus: 78% – Materials Science (Polymers and Plastics), 76% - Chemistry (General Chemistry). 1 Bauer D. и др. Click chemistry: a transformative technology in nuclear medicine // Nat. Protoc. 2023. Т. 18, № 6. С. 1659–1668.

Диссертация

Список научных трудов

Отзыв научного консультанта

Отзыв зарубежного консультанта

Заключение комиссии по этической оценке исследований