Програма «Майстерні інновацій» ФІОП РОСНАНО і МГУ імені М.В.Ломоносова підвели підсумки конкурсу «Моя лабораторія». Ми із задоволенням публікуємо кращі роботи.
Чергова захоплююча історія присвячена Лабораторії іоніки твердого тіла ІПХФ РАН в Черноголовке.
Ще на початку XIX століття експериментально було виявлено явище високої іонної провідності в твердих тілах, порівнянної з провідністю розчинів рідких електролітів [1]. Відкриття цього явища можна віднести до робіт англійського дослідника Гемфрі Деві (Humphry Davy, 1778 - 1829) (рис. 1), який спостерігав, що сухі тверді сполуки лужних металів, які не є провідниками, навіть при невеликому зволоженні ставали провідними. Протягом наступних 200 років явище високої іонної або суперіоннойпроводімості стало об'єктом уваги дослідників різних галузей науки (неорганічної і структурної хімії, електрохімії, фізики), що призвело до утворення самостійного напрямку отримав назву «іоніка твердого тіла» [2, 3].
Інтерес до дослідження провідних властивостей твердотільних матеріалів, які стали згодом називатися «тверді електроліти», не випадковий. Він обумовлений не тільки фундаментальними причинами виявлення природи суперіонної провідності і її зв'язку з кристалічною структурою матеріалу, але і можливістю їх подальшого технологічного використання при створенні твердотільних електрохімічних пристроїв різного призначення: хімічні джерела струму, паливні елементи, газові сенсори, електрохромние перетворювачі, електрохімічні мембрани і т . Д.
Малюнок 2. Порівняльний розмір сучасних електронних компонент (зліва) і друкована плата, отримана за технологією SMT (праворуч).
Однак ефективне функціонування електронних гаджетів було б не можливо без вдосконалення джерел енергозабезпечення, до яких також пред'являються досить жорсткі вимоги не тільки по масогабаритні характеристики, але і енергоємності і довготривалості функціонування. В даний час літій-іонні акумулятори (рис. 3), призначені для енергозабезпечення портативної електроніки, займають лідируюче місце в світі по своїй поширеності. Але без фундаментальних наукових відкриттів в області електрохімії і матеріалознавства існування таких пристроїв було б неможливо.
В області створення резервних систем енергозабезпечення портативних електронних пристроїв, крім удосконалення характеристик літій-іонних акумуляторів, активно ведуться роботи, пов'язані з розробкою воднево-повітряних твердополімерних паливних елементів. Одним з ключових моментів, що визначають перспективність цих розробок, є значна енергоємність паливних елементів, яка в кілька разів перевищує найсучасніші літій-іонні акумулятори. Одним з провідних розробників енергосистем на основі твердополімерних паливних елементів в Росії є Лабораторія іоніки твердого тіла (ЛІТТ) Інституту проблем хімічної фізики Російської академії наук (ІПХФ РАН).
II. Історія Лабораторії іоніки твердого тіла
Лабораторія була заснована в 1964 році з ініціативи академіка А.Н. Фрумкіна в складі Інституту електрохімії Академії наук СРСР як Лабораторія електрохімії розплавлених солей під керівництвом професора Євгена Олександровича Укше (рис. 4) [4-5]. У 1967 році лабораторія була переведена в Інститут нових хімічних проблем Академії наук (ІНХП АН) СРСР (Черноголовка) Відділення фізико-хімії і технології неорганічних матеріалів АН СРСР. Основні наукові завдання, які вирішувались у галузі хімії розплавлених солей, включали визначення ємності подвійного електричного шару в розплавлених солях, дослідження електрохімічних процесів на межі метал / іонний розплав і вивчення кінетики розчинення хлору в розплавлених хлоридах.
Історично склалося так, що разом зі зміною наукового напрямку досліджень змінювалося і назва лабораторії. З 1975 року лабораторія перетворена в Лабораторію електрохімії твердих електролітів. В рамках «твердоелектролітной» тематики проводилися дослідження по синтезу і вивченню властивостей твердих електролітів з високою провідністю (суперіонних провідників) і неметалічних електродних матеріалів зі змішаною електронно-іонної провідністю (оксидні бронзи). Серед найбільш значущих результатів того періоду можна виділити наступне: отримані нові матеріали з високою провідністю по іонам Li +. Na +. K +. Cu + і Н +; розроблені способи кількісного опису провідності двофазних (розподілених) і матричних структур суперіонік-метал, суперіонік-діелектрик і полікристалічних суперіонних провідників; запропонована кількісна модель адсорбційної релаксації подвійного електричного шару в твердих електролітах; відкрита і експериментально доведено залежність роботи виходу електрона з суперіоніка від природи електрода; показано трансвліяніе одного електрода на кінетичні характеристики іншого через електронну підсистему суперіоніка.
Останнє п'ятиліття наукової діяльності Євгена Олександровича Укше було присвячено електрохіміческойсенсоріке. У зв'язку з чим в 1989 році лабораторія перейменована в Лабораторію електрохімії сенсорних структур. Цей напрямок тісно пов'язане з однією з фундаментальних проблем природознавства - існуванням енергоінформаційного обміну багатофазних структур з навколишнім середовищем, при якому хімічні реакції на фазової кордоні газ / тверде тіло змінюють енергетичні та фізико-хімічні характеристики твердої структури. Проведені дослідження були спрямовані на отримання матеріалів для твердотільних електрохімічних сенсорів, вивчення проблем передачі інформації в процесі перетворення хімічної або механічної енергії в електричну в іонно-електронних структурах, а також розробку твердотільних сенсорних структур (рис. 5). Накопичений багатий експериментальний матеріал по властивостям твердих електролітів і змішаних електронно-іонних провідників, а також особливостям електрохімічних процесів на межі електрод / твердий електроліт дозволив перейти до спрямованого отримання матеріалів для твердотільних електрохімічних сенсорів. Результатом цих робіт стала розробка низькотемпературних твердотільних електрохімічних систем, що дозволяють селективно і з високою чутливістю визначати концентрацію таких активних газів як: H2. H2 S, CO і CO2 в повітрі при кімнатній температурі. У співпраці з ТОВ «Елінс» були створені портативні сенсори для детектування концентрації водню. Дані пристрої дозволяли проводити як разове визначення, так і безперервний моніторинг вмісту водню в повітрі. У разі перевищення заданої концентрації детектируемого газу пристрій сповіщало звуковим і світловим сигналами.
Малюнок 5. Експериментальний зразок сенсора водню, створений спільно з ТОВ «Елінс» [5].
Малюнок 6. Завідувач Лабораторією іоніки твердого тіла професор Ю.А. Добровольський (фото зі статті Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів).
- низькотемпературні катіонпроводящіе тверді електроліти та змішані електронно-іонні провідники: синтез, дослідження структури і властивостей;
- протонпровідні полімерні і композитні мембрани, суперпротонікі: синтез, дослідження структури і властивостей;
- механізм іонного переносу в твердих тілах: експериментальне дослідження і теоретичне моделювання;
- поведінка кордонів електронний (змішаний) провідник / твердий електроліт в різних газових середовищах;
- апаратура і методи дослідження електродних процесів в системах на основі твердих електролітів;
- напівпровідникові оксидні і халькогенідні електродні матеріали: морфологія поверхні, адсорбційні і хімічні процеси в поверхневих шарах;
- низькотемпературні паливні елементи: отримання і дослідження властивостей суперпротонних мембран, електродні матеріали та електрохімічних процесів;
- низькотемпературні газові сенсори на основі твердих електролітів: створення макетних зразків і визначення механізмів функціонування.
III. Воднево-повітряні твердополімерним паливні елементи
Розробка систем енергозабезпечення, які використовують принцип роботи паливного елемента (ТЕ), поряд з удосконаленням літієво-іонних акумуляторів енергії, є одним із пріоритетних напрямки сучасної енергетики. Основні принципи роботи ТЕ вперше були продемонстровані англійським дослідником Вільямом Гроув (William Grove, 1811-1896) ще в 1839 році при дослідженні електролізу води (рис. 7). Гроув спостерігав, що при електролізі води після відключення напруги в ланцюзі протікав невеликий струм в протилежному напрямку, який є результатом реакції між продуктами електролізу (воднем і киснем), що каталізує платиновими електродами. Він досліджував можливість послідовного з'єднання декількох осередків, які формують, таким чином, газову гальванічну батарею (рис. 7).
Малюнок 7. Вільям Гроув і його воднево-повітряна гальванічна батарея
Паливні елементи на основі твердополімерних протонних електролітів, часто званих протонобменнимі мембранами (Proton Exchange Membrane - PEM), є одними з найбільш ефективних пристроїв, що перетворюють хімічну енергію в електричну. Одинична паливна комірка складається з пористих електродів (анода і катода), поділюваних газощільної протонпровідні мембраною типу Nafion ® (рис. 8). Така система, зібрана разом, носить назву мембранно-електродний блок (МЕБ). Водень реагує на анодної стороні, в той час як з кисень (з повітря) - на катодного. В результаті цих реакцій у зовнішній ланцюга виникає постійний струм. При цьому єдиним продуктом реакції є вода. ТЕ на основі PEM здатні розвивати високу питому потужність (
1 Вт / см 2). Крім того, вони характеризуються високою динамічністю при роботі - практично моментально після включення виходять на режим з номінальною потужністю. Величина потужності може варіюватися від декількох мкВт до кВт в залежності від конструкції і призначення ТЕ.
Малюнок 8. Схема паливного елемента з полімерної протонобменной мембраною.
Розвиток твердополімерних паливних елементів було б не можливо без застосування нанотехнологій. В першу чергу це стосується створення високоефективних наноструктурованих каталізаторів (рис. 9) (перехід до нанокаталізатори забезпечує збільшення електрокаталітичної активності, зниження витрати металів платинової групи і підвищення терміну служби пристроїв) [6-8]. Крім цього нанотехнології активно використовуються для отримання наноструктурованих мембран, що застосовуються в системах отримання і очищення водню, а також в водневих сенсорах [9, 10]. Слід зазначити використання нанотехнологій при отриманні нанорозмірних матеріалів, які є основою водневих акумуляторів з високою ємністю за воднем [11, 12].
Малюнок 9. Наночастки платини, нанесені на вуглецеві нанотрубки [7].
Основними перевагами використання ТЕ є високий ККД роботи (40-60%), екологічна чистота, безшумність, а також можливість використання в якості палива - водню, що є дуже зручним енергоносієм, завдяки широким можливостям його генерації [13].
Ці причини і зумовлюють перспективність переходу до систем генерації енергії на основі паливних елементів, в основі використання яких лежить висока ефективність перетворення водневого палива і екологічна чистота.
IV. Перспективи розвитку Лабораторії: розробка резервних систем генерації енергії на основі воднево-повітряних паливних елементів
В даний час акцент виконуваних робіт в Лабораторії іоніки твердого тіла змістився в область розробки технологічних основ виробництва воднево-повітряних паливних елементів. Під керівництвом професора Юрія Анатолійовича Добровольського в Лабораторії ведуться роботи зі створення електрохімічних генераторів енергії на основі воднево-повітряних паливних елементів потужністю до 1 кВт.
Для виробництва паливних елементів на базі Лабораторії розгорнуті технологічні ділянки, що включають:
- синтез каталізаторів і виготовлення каталітичних чорнила;
- нанесення каталізаторів методом ультразвукового розпилення (рис. 10);
- виготовлення мембранно-електродних блоків (МЕБ) методом гарячого пресування;
- тестування електрохімічної активності каталізаторів і вимір потужних характеристик МЕБ (рис.11);
- фрезерувальні та обладнання свердлильні для макетування і виготовлення експериментальних зразків батарей паливних елементів;
- обладнання для 3D прототипирования батарей паливних елементів;
- збірку і тестування батарей паливних елементів.
Малюнок 10. Настільна система нанесення покриттів Prism Ultra Coat. Напилення каталітичних чорнила на газодифузійний шар. (Фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
Малюнок 11. Стенд Greenlight Innovation електрохімічного тестування мембранно-електродних блоків воднево-повітряних паливних елементів. (Фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
За порівняно короткий проміжок часу (близько року) колективом Лабораторії був розроблений оригінальний дизайн конструкції батарей твердополімерних паливних елементів (рис. 12) і відпрацьовані технологічні стадії їх поетапної зборки. Завдяки застосуванню сучасного високотехнологічного обладнання, вдалося досягти відтворюваності електрохімічних характеристик паливних осередків і організувати їх напівпромислове виробництво. Реалізація даної роботи була б неможлива без об'єднання зусиль з боку ЛІТТ ІПХФ РАН, ОАК ЦИАМ ім. П.І. Баранова, «Іжмаш-Безпілотні системи» і «АФМ-Серверс». Потенційною сферою застосування розроблених електрохімічних генераторів на паливних елементах може бути енергозабезпечення мобільної техніки, наприклад безпілотних літальних апаратів (рис. 13).
Малюнок 12. Батарея твердополімерних паливних елементів, створена колективом Лабораторії іоніки твердого тіла під керівництвом професора Ю.А. Добровольського (фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
Малюнок 13. Монтаж батареї твердополімерних паливних елементів в безпілотний літальний апарат (фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
VI. Список використаної літератури
Досвід навчання в області нанотехнологічного технопідприємництво
У цьому опитуванні ми просимо поділитися досвідом і Вашим ставленням до нанотехнологічної технопідприємництво і суміжних галузей. Заранее спасибо за Вашу небайдужість!
Проектна робота
Сьогодні стає все більш популярною так звана проектна робота школярів, однак на цей рахунок є дуже різні думки. Ми були б вдячні, якби Ви висловили коротко свою думку з цього приводу шляхом голосування. Заздалегідь вдячні!