↑ Вернуться: Лаборатории

Лаборатория электрохимического материаловедения

Заведующий лабораторией: Кузьмин Антон Валериевич, к.х.н.

Номер телефона: (343) 362-32-40

E-mail: a.kuzmin@ihte.uran.ru

Лаборатория организована в 2014 г. на базе лаборатории физико-химических методов исследования состава вещества, лаборатории электрохимических материалов и лаборатории теоретических исследований. В состав лаборатории входит 22 человека из них 1 доктора химических наук,  9 кандидатов химических наук и 1 кандидат физико-математических наук.

Научные направления:

Исследуются перспективные материалы для электрохимических устройств на твердых электролитах и смешанных ионно-электронных проводниках.

  • Проводится разработка способов получения и исследование физико-химических и электрохимических свойств кислородных, протонных и электронно-ионных проводников для твердооксидных электрохимических устройств.
  • Разрабатываются научные основы технологий получения тонких пленок протонпроводящих электролитов и методы исследования их свойств.
  • Изучается кинетика взаимодействия перспективных для электрохимических приложений оксидных материалов с газовой фазой. Разрабатываются и совершенствуются методы исследования кинетики обмена и диффузии легких атомов с использованием стабильных изотопов на границе газовая фаза — оксид для соединений с кислородной, протонной или смешанной проводимостью, а также на трехфазной границе — газовая фаза—электрод—электролит.
  • Выполняются теоретические исследования твердых электролитов и электронно-ионных проводников. Проводятся разработки в области микроскопической и феноменологической теории процессов переноса и релаксации, термодинамических свойств, дефектообразования и обусловленных дефектами свойств перспективных материалов с высокой ионной проводимостью. Работы последних лет связаны в основном с исследованиями протонпроводящих оксидов.

Аналитическое сопровождение НИР лабораторий института На базе лаборатории функционирует аккредитованный ЦКП «Состав вещества».

Методы исследований:

Группа физико-химических методов исследования:

  • Группа методов ЦКП «Состав вещества»
  • Метод изотопного обмена с анализом газовой фазы для исследования кинетики взаимодействия кислорода газовой фазы с электрохимическими материалами
  • Метод релаксации давления кислорода для исследования химического обмена и диффузии кислорода, для измерения кислородной нестехиометрии
  • Метод релаксации давления водорода для исследования растворимости водорода в протонпроводящих оксидах
  • Методы цифровой обработки изображений РЭМ для анализа микроструктуры электрохимических материалов

Группа электрохимических материалов:

  • Прецизионные дилатометрические измерения.
  • Измерения электропроводности (методом импеданса с использованием электрохимических комплексов PARSTAT 2273 и Elins, четырехзондовым автоматизированным методом, двухзондовым (осциллографическим) методом с использованием генератора прямоугольных импульсов) в атмосферах с заданными значениями влажности и парциального давления кислорода.
  • Измерения чисел переноса ионов и протонов методом ЭДС.
  • Измерения термо-ЭДС.
  • Твердофазные и химические методы синтеза оксидных керамических образцов и изделий с заданными характеристиками.

Группа теоретических исследований:

  • Используются современные аналитические методы теории конденсированных сред, а также методы компьютерного моделирования (молекулярной статики, Монте-Карло и др.).

Основные достижения:

 Группа физико-химических методов исследования:

  • Разработаны методики, необходимые для структурного, элементного анализа и микроанализа веществ и материалов, применяемых в исследовательской практике ИВТЭ. Основные методики выполнения измерений аттестованы в соответствии с ГОСТ Р8.563-96 и внесены в Федеральный реестр и реестр УрО РАН.
  • Методом изотопного обмена с анализом газовой фазы количественно показано, что скорость межфазного обмена кислорода растет с увеличением концентрации акцепторной примеси в оксидах Ce1–xGdxO2–x/2–δ, CaZr1–xScxO3–x/2–δ. Для оксидов La0.80Sr0.20Ga0.85–xMg0.15CoxO2.825+x/2–δ показано влияние двух противоборствующих факторов на кинетику обмена кислорода: уменьшение концентрации вакансий кислорода и рост концентрации электронных дефектов с увеличением концентрации электронодонорной примеси кобальта.
  • Экспериментально, в системах La1–xSrxCo1–yFeyO3–δ, La1–xSrxMnOδ и LnBaCo2O6–d (Ln = Pr, Sm, Gd) продемонстрирована корреляция между дефектной структурой и подвижностью кислорода в объёме и на поверхности оксида.
  • На основании анализа перераспределения изотопов кислорода на поверхности композитов (1–x)La0.8Sr0.2MnOδxZr0.85Y0.15O1.875 и (1–x)La0.8Sr0.2Fe0.7Ni0.3O3–δxCe0.9Gd0.1O1.95–δ выявлена роль межфазной границы в кинетике обмена кислорода газовой фазы с композиционными материалами. Предложена модель, описывающая зависимость скорости межфазного обмена от состава композита.
  • Разработана методика релаксации давления кислорода для исследования процессов химического обмена и диффузии кислорода, а также для измерения кислородной нестехиометрии смешанно-проводящих оксидных материалов..
  • Разработана методика релаксации давления водорода для исследования растворимости водорода в протонпроводящих оксидах.

Группа электрохимических материалов:

  • Получены новые твердые электролиты на основе оксида гафния с кислородной проводимостью, имеющие более высокую химическую стойкость, чем широко известные электролиты на основе диоксида циркония и не уступающие им по проводимости. Новые материалы могут быть использованы в электрохимических устройствах, работающих в агрессивных и сильно восстановительных средах.
  • Разработаны эффективные методики получения плотных твердых электролитов на основе СеО2, обеспечивающие спекание керамики до высокой плотности (95-98%). Предложенные технологии отличаются простотой, высокой производительностью и хорошей воспроизводимостью.
  • Разработан метод получения высокоплотной керамики протонпроводящих оксидов BaZr0.9Y0.1O3-α. Электропроводность такой керамики – на порядок величины превосходит проводимость образца, содержащего поры.
  • Впервые измерен термодинамический изотопный эффект в растворимости H/D для протонпроводящих оксидов BaZr0.9Y0.1O3-α при помощи метода прецизионной дилатометрии.
  • Проведено исследование фазовых переходов в протонных твердых электролитах BaCe1-ХNdХO3-d (х=0 ¸ 0.15), ряд переходов обнаружен впервые.
  • Проведены исследования фазовых составляющих и электрофизических свойств (проводимость, числа переноса ионов и протонов) протоников в системах
    La1-xSrxScO3-α и CaZr1-xScxO3-d (х = 0,01-0,20) в широком интервале температур (100-900оС), влажности (рН2О = 0,04 – 2,65 кПа) и парциального давления кислорода (рО2 = 2,1∙104 – 10-15 Па).
  • Выполнен цикл исследований по новым оксидным твердым электролитам со структурой апатита. Исследованы фазовые составляющие и электрофизические свойства значительного числа оксидных систем на основе апатитоподобных силикатов и германатов лантана.
  • Получены новые оксидные материалы на основе никелата празеодима с высокой электронной проводимостью. Материалы могут быть использованы в качестве катодов для высокотемпературных электрохимических устройств.

Группа теоретических исследований:

  • Развита теория термоэдс протонпроводящих оксидов. Результаты позволили объяснить данные по термоэдс и впервые определить по ним концентрацию и теплоту переноса протонов в оксидах.
  • Развита теория низкотемпературных свойств оксидов, обусловленных ориентационно вырожденными центрами (OH). Предсказаны необычные и аномально большие изотопные эффекты H/D/T для вкладов подобных центров в низкотемпературные свойства.
  • Теоретически предсказана возможность значительного термодинамического изотопного H/D/T эффекта и его необычного поведения в протонпроводящих оксидах. Эффект подтвержден экспериментально.
  • Теоретически предсказаны значительные изотопные эффекты H/D в проводимости «неводородных» носителей тока в протонпроводящих оксидах. В результате исследований электропереноса в BaZr0.9Y0.1O3-δ экспериментально подтвержден предсказанный изотопный эффект H/D в дырочной проводимости.
  • Предложен новый метод исследования эффекта разделения изотопов H/D в системе «нестехиометрический оксид-газ». Разработаны теоретические основы метода и впервые экспериментально определен изотопный эффект H/D в растворимости водорода в протонпроводящих оксидах.
  • Разработана методика прямого статистико-термодинамического моделирования равновесия нестехиометрических соединений с газовой фазой для материалов со сложной электронной структурой и существенно неидеальной ионной подсистемой.
  • Предложена теория дефектообразования и растворения водорода в акцепторно-допированных протонпроводящих оксидах, основанная на прямом статистико-механическом описании равновесия оксид-газ с учетом вкладов электронно-дырочной и фононной подсистем соединения. На основе теории объяснены данные по растворимости водорода и вкладам различных типов носителей в перенос заряда в ряде оксидов со структурой флюорита и перовскита.
  • Предложен новый подход к исследованию проблемы перехода между состояниями, разделенными энергетическим барьером (проблемы Крамерса), на языке дискретного уравнения Винера-Хопфа. На этой основе введена оригинальная техника моделирования кинетики процессов переноса в твердых электролитах, включающая влияние среды-термостата.

Прикладные разработки:

  1. Программное обеспечение для анализа изображений растрового электронного микроскопа. Применяется для количественного описания микроструктуры функциональных электрохимических материалов с помощью следующих параметров: пористость, доля фаз (для композиционных материалов), функции распределения размеров пор и частиц фаз, протяженность трехфазной границы, площадь контакта зерен.
  2. Программное обеспечение для расчета фактора извилистости методом Монте-Карло. Свидетельство авторской регистрации в РОСПАТЕНТ №2013660729 от 18.11.2013.
  3. Программа для расчета скорости межфазного обмена, коэффициента диффузии и вкладов трех типов обмена из данных, полученных методом изотопного обмена с анализом газовой фазы. Свидетельство авторской регистрации в РОСПАТЕНТ №2011614003 от 24.05.2011.
  4. Программа для расчета химического коэффициента обмена и коэффициента диффузии из данных, полученных методом релаксации электропроводности. Свидетельство авторской регистрации в РОСПАТЕНТ №2011614002 от 24.05.2011.
  5. Потенциометрические датчики на основе твердых электролитов для определения парциального давления кислорода в газовой фазе. Способны измерять рО2 в диапазоне от чистого кислорода до сильно восстановительных сред, содержащих водород, азот, водяной пар. Применяются для контроля выхлопных газов автомобильных двигателей и стационарных топливосжигающих установок с целью снижения вредных выбросов и повышения энергетической эффективности; контроля состава защитных и технологических газовых сред в электронной промышленности и процессах термохимической обработки материалов, в обжиговых печах керамической промышленности; определения кислорода в расплавленных металлах.
  6. Электрохимические кислородные насосы. Позволяют получать особо чистый кислород, а также поддерживать контролируемую атмосферу до рО2=10–20 атм. Применяются в медицине, в научных организациях для проведения исследований в контролируемой среде.