ЛАБОРАТОРИЯ ИОНИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Левченко Алексей Владимирович; Добровольский Юрий Анатольевич

LABORATORY OF SOLID STATE IONICS

A.B. Левченко, Ю.А. Добровольский

Институт проблем химической физики РАН, пр-т Академика Семенова, д.1, Черноголовка, Россия,

142432, тел./факс: (496) 522-16-57, lyuq@icp.ac.ru

ЛАБОРАТ ория и ОНИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ИПХФ РАН 1

УДК 542.87, 542.07

Левченко Алексей Владимирович - кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории ионики твердого тела Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН). Окончил химический факультет МГУ им М.В. Ломоносова в 2003 г Кандидатская диссертация защищена в 2003 г. в ИПХФ РАН. Область научных интересов: химические сенсоры, материалы для топливных элементов, химия и физика суперионных и смешанных проводников. Автор 17 статей в научных журналах.

В конце XIX века впервые было обнаружено явление высокой ионной проводимости в твердых телах, сравнимой с проводимостью растворов жидких электролитов, что впоследствии привело к возникновению ионики твердого тела. Проводимость в твердых веществах представляет интерес как с фундаментальной точки зрения, для выявления природы суперионной проводимости и ее связи со структурой кристалла, так и возможностью их дальнейшего технологического использования в твердотельных электрохимических устройствах, таких как химические источники тока, газовые сенсоры, электрохромные преобразователи, топливные элементы, электрохимические мембраны и т.д. Исследование твердых веществ с высокой ионной проводимостью и применение их в различных устройствах является основной тематикой работ Лаборатории ионики твердого тела (ИТТ) Института проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН).

Лаборатория была основана в 1964 году по инициативе академика А.Н. Фрумкина в составе Института элек-

Добровольский Юрий Анатольевич - кандидат химических наук, заведующий лабораторией ионики твердого тела Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН). Окончил Московский институт тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова в 1985 г. Кандидатская диссертация защищена в ИНХП РАН в 1993 г. Область научных интересов: химия и физика суперионных проводников, протонная проводимость в твердом теле, химические сенсоры, материалы для топливных элементов. Автор 77 статей в научных журналах.

трохимии АН СССР как Лаборатория электрохимии расплавленных солей под руководством профессора Е.А. Укше (рис. 2). В 1967 году лаборатория была переведена в Институт новых химических проблем Академии наук (ИНХП АН) СССР (Черноголовка) Отделения физикохимии и технологии неорганических материалов АН СССР. Основные научные задачи, решавшиеся в области химии расплавленных солей, включали определение емкости двойного электрического слоя в расплавленных солях, исследование электрохимических процессов на границе металл/ионный расплав и изучение кинетики растворения хлора в расплавленных хлоридах. К самым важным результатам исследований того времени

Рис. 1. Евгений Александрович Укше руководил лабораторией практически 30лет Fig. 1. Eugeny Aleksandrovich IJkshe was head of the lab about 30 years

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №2(58) 2008 f ( ' 1 f Hi erJ

А.В. Левченко, Ю.А. Добровольский Лаборатория ионики твердого тела

можно отнести количественную модель релаксации двойного электрического слоя в твердых электролитах, основанную на предположении о медленной адсорбции ионов жесткой решетки; модель гетерогенных структур на основе твердых электролитов; открытие и экспериментальное доказательство зависимости работы выхода электрона из суперионика от природы электрода; трансвлияние одного электрода на кинетические характеристики другого через электронную подсистему суперионика; доказательство существования виртуальных протонов в гидратах средних солей гетерополикислот.

В настоящее время в лаборатории ведутся научные исследования по следующим направлениям:

• Низкотемпературные катионпроводящие твердые электролиты и смешанные электронно-ионные проводники: синтез, исследование структуры и свойств;

• протонпроводящие полимерные и композитные мембраны, суперпротоники: синтез, исследование структуры и свойств;

• механизм ионного переноса в твердых телах: экспериментальное исследование и теоретическое моделирование;

• процессы на границах электронный (смешанный) проводник / твердый электролит в различных газовых средах;

• методы исследования электродных процессов в системах на основе твердых электролитов;

• полупроводниковые оксидные и халькогенидные электродные материалы: морфология поверхности, адсорбционные и химические процессы в поверхностных слоях;

• низкотемпературные топливные элементы: получение и исследование свойств суперпротонных мембран, электродных материалов и электрохимических процессов;

• низкотемпературные газовые сенсоры на основе твердых электролитов: создание макетных образцов и определение механизмов функционирования.

Электрохимические сенсоры

Накопленные данные по свойствам твердых электролитов с высокой проводимостью (суперионных проводников), получению неметаллических электродных материалов со смешанной электронно-ионной проводимостью (оксидные бронзы), изучению электрохимических процессов на границе электрод/твердый электролит позволили перейти к направленному получению материалов для твердотельных электрохимических сенсоров, изучению проблем передачи информации в процессе превращения химической или механической энергии в электрическую в ионно-электронных структурах. В результате этих исследований были разработаны низкотемпературные твердотельные электрохимические системы, позволяющие определять концентрацию таких активных газов, как: Н2, Н^, СО и С02 в воздухе при

комнатной температуре. Отличительной особенностью полученных датчиков является высокая селективность, чувствительность и низкая себестоимость, что делает их очень перспективными для различных промышленных и лабораторных применений. Кроме того, в сотрудничестве с ООО «Элинс» была создана тестовая партия портативных сенсоров для определения концентрации водорода (рис. 2). Данное изделие позволяет проводить разовое определение или непрерывный мониторинг содержания водорода в воздухе и в случае превышения установленного значения концентрации оповещать звуковым и световым сигналами.

Рис. 2. Экспериментальный образец сенсора водорода, созданный совместно с ООО «Элинс»

Fig. 2. Experimental sample of the hydrogen sensor created in collaboration with Elins LTD.

Топливные элементы и материалы для них

В последние несколько лет сотрудники лаборатории особенно активно занимаются изучением различных кристаллических и полимерных протонпроводящих материалов для применения их в низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементах. Были получены полимерные электролиты в системе ПВС-фенол-2,4-дисульфокислота с рекордной протонной проводимостью в широком интервале температур и влажностей окружающей среды, а также мембраны на основе поливинилового спирта, этерифицированного гетерополикислотами (ГПС), способные обеспечивать эффективную работу топливного элемента при естественных земных условиях без дополнительного нагрева и увлажнения, а в силу каталитической активности гетерополикислот по отношению с окислению СО до СО2. Мембраны на их основе способны работать на водороде без его предварительной очистки.

Следует отметить, что в отличие от широко распространенных мембран типа Nafion проводимость полученных мембран сохраняется даже в вакууме, поскольку некоторая часть воды (около 1-1,5 молекул на 1 SO3H-

Лаборатория ионики твердого тела ИПХФ РАН

группу) прочно связана и не удаляется ни при вакууми-ровании, ни при нагревании до 373 К. При влажности 85-95 % относительная проводимость пленок является рекордной среди известных полимерных материалов и приближается к проводимости порошкообразных гете-рополисоединений и водных растворов кислот.

Кроме того, проводятся исследования и других материалов, применяемых в топливных элементах. Совместно с лабораторией водород-аккумулирующих материалов были получены платинированные наноструктурирован-ные углеродные материалы для использования в качестве электрокатализаторов водородно-воздушных топливных элементов, наиболее дешевыми из которых являются углеродные нановолокна (УНВ). Показано, что электрокаталитическая активность таких материалов близка к активности стандартных катализаторов Е-Тек и в большей степени определяется количеством и размером кластеров платины, чем видом углеродного материала.

С использованием полученных материалов были созданы экспериментальные батареи топливных элементов, отличительной особенностью которых является то, что все их компоненты были либо полностью разработаны в лаборатории ионики твердого тела, либо в сотрудничестве с другими лабораториями (рис. 3).

Рис. 3. Экспериментальная батарея топливных элементов, созданная в лаборатории ионики твердого тела. Все компоненты батареи разработаны в лаборатории.

Fig. 3. Experimental fuel cells stack created in Laboratory of solid state ionics. All components of the stack developed in laboratory.

Материальная база

Для нормального функционирования лаборатории, а также проведения научных исследований требуется современное оборудование. Благодаря активной научной деятельности лаборатории ИТТ ее проекты регулярно поддерживаются различными фондами и программами: ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ), федеральной целевой программой (ФЦП) «Интеграция» и рядом программ РАН.

Рис. 4. Оборудование лаборатории ионики твердого тела Fig. 4. Equipment of the laboratory of solid state ionics

Лаборатория оснащена целым комплексом различного лабораторного оборудования (рис. 4): это электрохимическое оборудование, такое как потенциостаты, им-педансметры и электронные нагрузки разработки ООО «Элинс»; ЯМР-спектрометр, синхронный термический анализатор STA 409 PC Luxx® (Netzsch) с ИК-спектро-метром Bruker Optics IFS 66 series и масс-спектрометром QMS 401 C Aeolos (Netzsch) для анализа исходящих газов, ИК-спектрофотометр UR-20, спектрометр КР Coderg PH 0, Оже и рентгеновский фотоэлектронный спектрометр PHI - 551A, термопрессы Carver 3985, анализатор удельной площади поверхности NOVA Quantachrome 3200, шаровая мельница Fritsch Pulverisette 7, сухой бокс MBraun MB10, центрифуга MLW T23, роторный испаритель Laborota 4000, сушильные шкафы Binder FD53, а также высокотемпературные муфельные печи СНОЛ 6/11, 6/12, 6/16. Наличие такой приборной базы обеспечивает возможности как для обучения студентов и аспирантов, так и для проведения исследований на самом высоком научном уровне.

Лаборатория заинтересована в сотрудничестве как с научными, так и промышленными организациями. Подробную информацию о лаборатории и ее сотрудниках можно узнать на сайте: http://www.lssi.ru. Адрес лаборатории: 142432, Московская область, Ногинский район, г. Черноголовка, ИПХФ РАН, Лаборатория ионики твердого тела. dobr@icp.ac.ru, тел./факс 8 (496) 522-16-57.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (58) 2008

ЛАБОРАТОРИЯ ИОНИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Левченко Алексей Владимирович, Добровольский Юрий Анатольевич

Текст научной работы на тему «ЛАБОРАТОРИЯ ИОНИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА»