Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Технологический взлет

Ключевые слова:  БПЛА, Добровольский Ю.А., ИПХФ РАН, Лаборатория ионики твердого тела, Мастерские инноваций, Моя лаборатория, твердые электролиты, топливные элементы, ФИОП РОСНАНО

Автор(ы): Лысков Николай Викторович

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

09 апреля 2015

Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова подвели итоги конкурса «Моя лаборатория». Мы с удовольствием публикуем лучшие работы.

Очередная увлекательная история посвящена Лаборатории ионики твердого тела ИПХФ РАН в Черноголовке.

I. Введение

Еще в начале XIX века экспериментально было обнаружено явление высокой ионной проводимости в твердых телах, сравнимой с проводимостью растворов жидких электролитов [1]. Открытие этого явления можно отнести к работам английского исследователя Гемфри Дэви (Humphry Davy, 1778 – 1829) (рис. 1), который наблюдал, что сухие твердые соединения щелочных металлов, не являющиеся проводниками, даже при небольшом увлажнении становились проводящими. На протяжении последующих 200 лет явление высокой ионной или суперионной проводимости стало объектом внимания исследователей различных областей науки (неорганической и структурной химии, электрохимии, физики), что привело к образованию самостоятельного направления получившего название «ионика твердого тела» [2, 3].

Рисунок 1. Гемфри Дэви

Интерес к исследованию проводящих свойств твердотельных материалов, ставших впоследствии называться «твердые электролиты», не случаен. Он обусловлен не только фундаментальными причинами выявления природы суперионной проводимости и ее связи с кристаллической структурой материала, но и возможностью их дальнейшего технологического использования при создании твердотельных электрохимических устройств различного назначения: химические источники тока, топливные элементы, газовые сенсоры, электрохромные преобразователи, электрохимические мембраны и т.д.

В настоящее время вряд ли можно представить жизнь современного человека без ежедневного использования различных портативных электронных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков, планшетных компьютеров, mp3-плееров и т.д. Массовая доступность таких устройств стала возможна благодаря технологической революции в микроэлектронике, связанной с миниатюризацией электронных компонент и переходом к технологиям поверхностного монтажа (SMT – surface mount technology) (рис. 2). Это позволило уменьшить размер электронной начинки, при этом многократно увеличив ее производительность и функциональность.

Рисунок 2. Сравнительный размер современных электронных компонент (слева) и печатная плата, полученная по технологии SMT (справа).

Однако эффективное функционирование электронных гаджетов было бы не возможно без усовершенствования источников энергообеспечения, к которым также предъявляются достаточно жесткие требования не только по массогабаритным характеристикам, но и энергоемкости и долговременности функционирования. В настоящее время литий-ионные аккумуляторы (рис. 3), предназначенные для энергообеспечения портативной электроники, занимают лидирующее место в мире по своей распространенности. Но без фундаментальных научных открытий в области электрохимии и материаловедения существование таких устройств было бы невозможно.

Рисунок 3. Основные компоненты смартфона iPhone 5s, в том числе литий-ионный аккумулятор (фото с сайта iphones.ru).

В области создания резервных систем энергообеспечения портативных электронных устройств, помимо усовершенствования характеристик литий-ионных аккумуляторов, активно ведутся работы, связанные с разработкой водородно-воздушных твердополимерных топливных элементов. Одним из ключевых моментов, определяющих перспективность этих разработок, является значительная энергоемкость топливных элементов, которая в несколько раз превосходит самые современные литий-ионные аккумуляторы. Одним из ведущих разработчиков энергосистем на основе твердополимерных топливных элементов в России является Лаборатория ионики твердого тела (ЛИТТ) Института проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН).

II. История Лаборатории ионики твердого тела

Рисунок 4. Профессор Евгений Александрович Укше – основатель и руководитель лаборатории с 1964 по 1993 годы

Лаборатория была основана в 1964 году по инициативе академика А.Н. Фрумкина в составе Института электрохимии Академии наук СССР как Лаборатория электрохимии расплавленных солей под руководством профессора Евгения Александровича Укше (рис. 4) [4-5]. 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.

Исторически сложилось так, что вместе с изменением научного направления исследований менялось и название лаборатории. С 1975 года лаборатория преобразована в Лабораторию электрохимии твердых электролитов. В рамках «твердоэлектролитной» тематики проводились исследования по синтезу и изучению свойств твердых электролитов с высокой проводимостью (суперионных проводников) и неметаллических электродных материалов со смешанной электронно-ионной проводимостью (оксидные бронзы). Среди наиболее значимых результатов того периода можно выделить следующее: получены новые материалы с высокой проводимостью по ионам Li+, Na+, K+, Cu+ и Н+; разработаны способы количественного описания проводимости двухфазных (распределенных) и матричных структур суперионик-металл, суперионик-диэлектрик и поликристаллических суперионных проводников; предложена количественная модель адсорбционной релаксации двойного электрического слоя в твердых электролитах; открыта и экспериментально доказана зависимость работы выхода электрона из суперионика от природы электрода; показано трансвлияние одного электрода на кинетические характеристики другого через электронную подсистему суперионика.

Последнее пятилетие научной деятельности Евгения Александровича Укше было посвящено электрохимической сенсорике. В связи с чем в 1989 году лаборатория переименована в Лабораторию электрохимии сенсорных структур. Это направление тесно связано с одной из фундаментальных проблем естествознания – существованием энергоинформационного обмена многофазных структур с окружающей средой, при котором химические реакции на фазовой границе газ/твердое тело изменяют энергетические и физико-химические характеристики твердой структуры. Проводимые исследования были направлены на получение материалов для твердотельных электрохимических сенсоров, изучение проблем передачи информации в процессе превращения химической или механической энергии в электрическую в ионно-электронных структурах, а также разработку твердотельных сенсорных структур (рис. 5). Накопленный богатый экспериментальный материал по свойствам твердых электролитов и смешанных электронно-ионных проводников, а также особенностям электрохимических процессов на границе электрод/твердый электролит позволил перейти к направленному получению материалов для твердотельных электрохимических сенсоров. Результатом этих работ стала разработка низкотемпературных твердотельных электрохимических систем, позволяющих селективно и с высокой чувствительностью определять концентрацию таких активных газов как: H2, H2S, CO и CO2 в воздухе при комнатной температуре. В сотрудничестве с ООО «Элинс» были созданы портативные сенсоры для детектирования концентрации водорода. Данные устройства позволяли проводить как разовое определение, так и непрерывный мониторинг содержания водорода в воздухе. В случае превышения заданной концентрации детектируемого газа устройство оповещало звуковым и световым сигналами.

Рисунок 5. Экспериментальный образец сенсора водорода, созданный совместно с ООО «Элинс» [5].

После ухода из жизни Евгения Александровича Лабораторию возглавил Юрий Анатольевич Добровольский, который с 1995 года является ее заведующим (рис. 6).

Черноголовка

Рисунок 6. Заведующий Лабораторией ионики твердого тела профессор Ю.А. Добровольский (фото из статьи Новые технологии внедряются в конструкции лайнеров).

За прошедшие десятилетия количество тематик Лаборатории существенно выросло, поэтому в 2003 году было принято решение переименовать ее в Лабораторию ионики твердого тела. Сейчас 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;
  • поведение границ электронный (смешанный) проводник / твердый электролит в различных газовых средах;
  • аппаратура и 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.

III. Водородно-воздушные твердополимерные топливные элементы

Разработка систем энергообеспечения, использующих принцип работы топливного элемента (ТЭ), наряду с усовершенствованием литий-ионных аккумуляторов энергии, является одним из приоритетных направления современной энергетики. Основные принципы работы ТЭ впервые были продемонстрированы английским исследователем Уильямом Гроувом (William Grove, 1811-1896) еще в 1839 году при исследовании электролиза воды (рис. 7). Гроув наблюдал, что при электролизе воды после отключении напряжения в цепи протекал небольшой ток в противоположном направлении, являющийся результатом реакции между продуктами электролиза (водородом и кислородом), катализируемой платиновыми электродами. Он исследовал возможность последовательного соединения нескольких ячеек, формирующих, таким образом, газовую гальваническую батарею (рис. 7).

Рисунок 7. Уильям Гроув и его водородно-воздушная гальваническая батарея

Топливные элементы на основе твердополимерных протонных электролитов, часто называемых протонобменными мембранами (Proton Exchange Membrane - PEM), являются одними из наиболее эффективных устройств, преобразующих химическую энергию в электрическую. Единичная топливная ячейка состоит из пористых электродов (анода и катода), разделяемых газоплотной протонпроводящей мембраной типа Nafion® (рис. 8). Такая система, собранная вместе, носит название мембранно-электродный блок (МЭБ). Водород реагирует на анодной стороне, в то время как с кислород (из воздуха) – на катодной. В результате этих реакций во внешней цепи возникает постоянный ток. При этом единственным продуктом реакции является вода. ТЭ на основе PEM способны развивать высокую удельную мощность (~ 1 Вт/см2). Кроме того, они характеризуются высокой динамичностью при работе – практически моментально после включения выходят на режим с номинальной мощностью. Величина мощности может варьироваться от нескольких мкВт до кВт в зависимости от конструкции и назначения ТЭ.

Рисунок 8. Схема топливного элемента с полимерной протонобменной мембраной.

Развитие твердополимерных топливных элементов было бы не возможно без применения нанотехнологий. В первую очередь это касается создания высокоэффективных наноструктурированных катализаторов (рис. 9) (переход к нанокатализаторам обеспечивает увеличение электрокаталитической активности, снижение расхода металлов платиновой группы и повышение срока службы устройств) [6-8]. Помимо этого нанотехнологии активно используются для получения наноструктурированных мембран, применяющихся в системах получения и очистки водорода, а также в водородных сенсорах [9, 10]. Следует отметить использование нанотехнологий при получении наноразмерных материалов, являющихся основой водородных аккумуляторов с высокой емкостью по водороду [11, 12].

Рисунок 9. Наночастицы платины, нанесенные на углеродные нанотрубки [7].

Основными преимуществами использования ТЭ являются высокий КПД работы (40–60%), экологическая чистота, бесшумность, а также возможность использования в качестве топлива – водорода, являющегося очень удобным энергоносителем, благодаря широким возможностям его генерации [13].

Интерес к таким системам не случаен и обусловлен рядом экономических и социально-политических причин. В последнее время наблюдается устойчивая тенденция роста энергопотребления, что удовлетворяется в первую очередь за счет резервного ископаемого топлива, сгорание которого приводит к выбросу газов, ответственных за парниковый эффект и другие загрязнения. Это, в свою очередь, обостряет экологические проблемы, связанные с охраной окружающей среды. Кроме того, эти резервы ограничены и с каждым годом наблюдается тенденция к их уменьшению, что ведет к стремительному росту цен на топливо. Еще одной немаловажной причиной использования энергосистем на основе топливных элементов является возможность их применения в регионах, куда доставка электроэнергии, получаемой традиционными способами, существенно затруднена, например в условиях крайнего севера.

Эти причины и обуславливают перспективность перехода к системам генерации энергии на основе топливных элементов, в основе использования которых лежит высокая эффективность преобразования водородного топлива и экологическая чистота.

IV. Перспективы развития Лаборатории: разработка резервных систем генерации энергии на основе водородно-воздушных топливных элементов

В настоящее время акцент выполняемых работ в Лаборатории ионики твердого тела сместился в область разработки технологических основ производства водородно-воздушных топливных элементов. Под руководством профессора Юрия Анатольевича Добровольского в Лаборатории ведутся работы по созданию электрохимических генераторов энергии на основе водородно-воздушных топливных элементов мощностью до 1 кВт.

Для производства топливных элементов на базе Лаборатории развернуты технологические участки, включающие:

  • синтез катализаторов и изготовление каталитических чернил;
  • нанесение катализаторов методом ультразвукового распыления (рис. 10);
  • изготовление мембранно-электродных блоков (МЭБ) методом горячего прессования;
  • тестирование электрохимической активности катализаторов и измерение мощностных характеристик МЭБ (рис.11);
  • фрезеровальное и сверлильное оборудование для макетирования и изготовления экспериментальных образцов батарей топливных элементов;
  • оборудование для 3D прототипирования батарей топливных элементов;
  • сборку и тестирование батарей топливных элементов.

Рисунок 10. Настольная система нанесения покрытий Prism Ultra Coat. Напыление каталитических чернил на газодиффузионный слой. (фото из статьи в Новые технологии внедряются в конструкции лайнеров)

Рисунок 11. Стенд Greenlight Innovation электрохимического тестирования мембранно-электродных блоков водородно-воздушных топливных элементов. (фото из статьи в Новые технологии внедряются в конструкции лайнеров)

За сравнительно короткий промежуток времени (около года) коллективом Лаборатории был разработан оригинальный дизайн конструкции батарей твердополимерных топливных элементов (рис. 12) и отработаны технологические стадии их поэтапной сборки. Благодаря применению современного высокотехнологического оборудования, удалось достичь воспроизводимости электрохимических характеристик топливных ячеек и организовать их полупромышленное производство. Реализация данной работы была бы не возможна без объединения усилий со стороны ЛИТТ ИПХФ РАН, ОАК ЦИАМ им. П.И. Баранова, «Ижмаш-Беспилотные системы» и «АФМ-Серверс». Потенциальной областью применения разработанных электрохимических генераторов на топливных элементах может являться энергообеспечение мобильной техники, например беспилотных летательных аппаратов (рис. 13).

Рисунок 12. Батарея твердополимерных топливных элементов, созданная коллективом Лаборатории ионики твердого тела под руководством профессора Ю.А. Добровольского (фото из статьи в Новые технологии внедряются в конструкции лайнеров)

Рисунок 13. Монтаж батареи твердополимерных топливных элементов в беспилотный летательный аппарат (фото из статьи в Новые технологии внедряются в конструкции лайнеров)

V. Заключение

На данный момент в Лаборатории работают свыше 40 человек, из которых половина – научные сотрудники и инженерный состав, а другая половина – студенты и аспиранты. Благодаря вливанию молодых специалистов, ЛИТТ – динамично развивающийся коллектив, средний возраст сотрудников которого не превышает 35 лет. 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. E-mail: dobr@icp.ac.ru, тел./факс 8(496)522-16-57.

VI. Список использованной литературы

  1. Mobius H.-H. On the history of solid electrolyte fuel cells // J. Solid State Electrochem. 1997. V.1. P. 2-16.
  2. Knauth P., Tuller H.L. Solid-State Ionics: Roots, Status, and Future Prospects // J. Am. Ceram. Soc. 2002. V. 85. P. 1654–80.
  3. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела. В 2-х томах. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. Т. 1, 2000, 616 с.; Т. 2., 2010, 1000 с.
  4. Лысков Н.В. Лаборатория ионики твердого тела ИПХФ РАН: история возникновения и перспективы развития. // Нанометр, октябрь, 2006, с.13-16. Опубликовано также: Лысков Н.В. Выпускники ФНМ в России. Лаборатория ионики твердого тела ИПХФ РАН: история возникновения и перспективы развития. // «Альтернативная Энергетика и Экология», 2006, №11 (43), с. 104-107.
  5. Левченко А.В., Добровольский Ю.А. Лаборатория Ионики Твердого Тела // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология". 2008. № 2. С. 68-70.
  6. Mukerjee S., McBreen J.. Effect of particle size on the electrocatalysis by carbonsupported Pt electrocatalysts: an in situ XAS investigation // J. Electroanal. Chem. 1998. V. 448. P.163–171.
  7. Sun X., Li R., Villers D., Dodelet J.P., Desilets S. Composite electrodes made of Pt nanoparticles deposited on carbon nanotubes grown on fuel cell backings // Chemical Physics Letters. 2003. V. 379. P. 99–104.
  8. Vilambi Reddy N.R.K., Anderson E.B., Taylor E.J. High utilization supported catalytic metal-containing gas-diffusion electrode, process for making it, and cells utilizing it // US Pat. No.5,084,144. 1992.
  9. Kreuer K.-D. Proton Conductivity: Materials and Applications // Chem. Mater. 1996. V. 8. P. 610-641.
  10. Hickner M.A., Ghassemi H., Kim Y.S., Einsla B.R., McGrath J.E. Alternative Polymer Systems for Proton Exchange Membranes (PEMs) // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 4587-4612.
  11. Niemann M.U., Srinivasan S.S., Phani A.R., Kumar A., Goswami D.Y., Stefanakos E.K. Nanomaterials for Hydrogen Storage Applications: A Review // Journal of Nanomaterials. 2008. P. 1-9.
  12. Okonska I., Nowak M., Jankowska E., Jurczyk M. Hydrogen storage by Mg-based nanomaterials // Reviews on advanced materials science. 2008. V. 18. P. 628-632.
  13. Winter M., Brodd R. What Are Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors? // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 4245-4269.

Об авторе


Николай Лысков, к..х.н. - старший научный сотрудник Института проблем химической физики Российской академии наук.

.




В статье использованы материалы: Моя лаборатория


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 


Комментарии
Пастух Евфграфович, 09 апреля 2015 14:26 
По тексту : "....предложена количественная модель адсорбционной релаксации двойного электрического слоя в твердых электролитах,..." - В статье MAXWELL DISPLACEMENT CURRENT AND NATURE OF JONSHER’S “UNIVERSAL” DYNAMIC RESPONSE IN NANOIONICS (Ionics, 2015, Volume 21, Issue 2, pp 459-469; DOI 10.1007/s11581-014-1183-3 http://link....-014-1183-3) "модель адсорбционной релаксации" анализируется и отвергается с предложением альтернативы.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

На краю
На краю

20 июня в МГУ стартовала приёмная кампания
20 июня в МГУ имени М.В. Ломоносова стартовала приёмная кампания. В новому учебном 2019/2020 году в Московский университет поступят около 10 тысяч абитуриентов, откроются 4 новых направления подготовки и свыше 10 образовательных программ.

Коллекция статей в Frontiers in Chemistry, посвященная Международному Году Периодической Таблицы Элементов
Открыт прием статей в коллекцию Frontiers in Chemistry (Open Access, IF 4.155), посвященной 150 - летию Периодической Таблицы Элементов.

Рейтинг МГУ
По сообщению пресс - службы МГУ, в международном образовательным рейтинге Quacquarelli Symonds (QS) Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова укрепил лидирующие позиции, поднявшись с 90-й строчки на 84-ю. МГУ стал единственным отечественным вузом, попавшим в топ-100 ведущих университетских центров планеты.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты ВКР бакалавров ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.