В состав лаборатории входит 33 сотрудника, в том числе 4 доктора химических наук, 9 кандидатов химических наук и 2 кандидата физико-математических наук.
Кинетика гетерогенных реакций в электрохимических системах с твердыми электролитами.
Механизмы и скорость-определяющие стадии электродных реакций на высокоактивных электродах электрохимических устройств. Разрабатываются подходы по увеличению активности электродов.
Кинетика взаимодействия перспективных оксидных материалов для электрохимических приложений с газовой фазой с использованием изотопов. Разрабатываются и совершенствуются методы исследования кинетики обмена и диффузии ионов 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.
Транспортные свойства в твердооксидных материалах с ионной и смешанной проводимостями для электрохимических приложений.
Долговременные испытания электрохимических материалов и устройств с целью определения причин деградации и природы деградационных процессов.
Моделирование макрокинетических процессов в ячейках и устройствах на твердых оксидных проводниках.
Теоретические исследования твердых электролитов и электронно-ионных проводников. Проводятся разработки в области микроскопической и феноменологической теории процессов переноса и релаксации, термодинамических свойств, дефектообразования и обусловленные дефектами свойств перспективных материалов с высокой ионной проводимостью.
Методы исследований:
Метод импедансной спектроскопии.
Метод расчета распределения времен релаксации.
Измерения электропроводности с использованием генератора прямоугольных импульсов в атмосферах с заданными значениями влажности и парциального давления кислорода.
Измерения чисел переноса ионов и протонов методом ЭДС.
Метод термо-ЭДС.
Методы изотопного обмена (импульсный и с анализом газовой фазы) для исследования кинетики взаимодействия кислорода, водорода и углеводородов 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.
Используются современные аналитические методы теории конденсированных сред, а также методы компьютерного моделирования (молекулярной статики, Монте-Карло и др.).
Твердофазные и химические методы синтеза оксидных керамических образцов и изделий с заданными характеристиками.
Основные достижения:
Установлены закономерности поведения двойного электрического слоя на границе раздела жидкий металл-твердый оксидный электролит и определены потенциалы нулевого заряда широкого ряда металлов.
Созданы научные основы высокотемпературного электролиза газов.
Определены закономерности кинетики взаимодействия кислорода газовой фазы (О2, CO+CO2) c кислородом электролитов на основе ZrO2, CeO2, Bi2O3, Ba(Sr)CeO3, LaGaO3, рядом металлических и оксидных электродных материалов.
Предложены механизмы токообразования и лимитирующие стадии электродных реакций в твердых оксидных электролитах. Изучены механизмы электродных реакций окисления водорода и восстановления кислорода на металл-керамических и оксидных электродах. Определены лимитирующие стадии электродных реакций. Предложены оригинальные маршруты электродной реакции.
Определены природа импеданса с постоянным фазовым углом высокочастотного процесса на кислородных электродах в контакте с твердым оксидным электролитом и закономерности поведения емкости двойного электрического слоя.
Разработаны оригинальные подходы к анализу результатов импедансной спектроскопии методом распределения времен релаксации для анализа стадий электродных реакций, определяющих эффективность работы электродов и электрохимических ячеек.
Выявлены закономерности изменения скоростей межфазного обмена кислорода, диссоциативной адсорбции кислорода, инкорпорирования кислорода и электрохимической активности электродных материалов с общей формулой Lan+1NinO3n+1 (n = 1, 2 и 3).
Изучено влияние допирования акцепторными, донорными и изовалентными элементами на физико-химические и транспортные свойства различных твердооксидных систем.
Разработаны, изготовлены и испытаны макеты электрохимических генераторов на твердооксидных топливных элементах мощностью 100, 200, 300 и 1500 Вт. Разработаны теоретические основы электрохимической конверсии как способа получения чистого водорода. Разработаны и исследованы материалы со смешанной проводимостью как основы электрохимических конвертеров.
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 BaZr9Y0.1O3-α. Электропроводность такой керамики – на порядок величины превосходит проводимость образца, содержащего поры.
Впервые измерен термодинамический изотопный эффект в растворимости H/D для протонпроводящих оксидов BaZr9Y0.1O3-α при помощи метода прецизионной дилатометрии.
Исследован механизм взаимодействия газообразного кислорода с Sr1.95Fe1.4Ni0.1Mo0.5O6-δ, перспективного материала для электродов ТОТЭ, двумя изотопными методами: импульсного изотопного обмена и изотопного обмена кислорода с анализом газовой фазы. С помощью двух независимых методов изотопного обмена кислорода были получены кинетические параметры в условиях равновесия и потока газоносителя смеси над образцом, что расширило понимание процессов и приблизило экспериментальные условия второго случая к реальным условиям эксплуатации электродного материала.
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.
Прикладные разработки:
Предложена конструкция экспериментальной установки, позволяющая проводить эксперименты по импульсному изотопному обмену кислорода в атмосферах, содержащих молекулярный кислород и воду.
Разработана конструкция вакуумной электрохимической симметричной ячейки с разделенным газовым пространством для in situ исследования влияния перенапряжения исследуемого электрода на кинетику изотопного обмена кислорода совместно методами изотопного обмена кислорода с уравновешиванием изотопного состава газовой фазы и спектроскопии электрохимического импеданса.
Реализован способ анализа спектров электрохимического импеданса на основе совместного использования метода распределения времен релаксации и нелинейного метода наименьших квадратов, что позволило более досконально понимать механизмы электрохимических реакций.
Установлены закономерности влияния состава и коэффициента взаимной диффузии топливной газовой смеси на электрохимическую активность никель-керамических электродов, что позволило прогнозировать изменение активности электрода в зависимости от состава газового окружения.
Установлена природа явлений, приводящих к уменьшению электропроводности и электрохимической активности никель-керамических электродов, что позволяет выбирать оптимальные режимы эксплуатации электрохимических устройств с никель-керамическими электродами.
Разработаны высокоактивные электроды на основе смешанных проводников с высокими эксплуатационными характеристиками для их применения в электрохимических устройствах.
Разработаны способы изготовления единичных электрохимических ячеек различной геометрии для электрохимических приложений.
Заведующий лабораторией:
