Тема: Изучение квазиравновесного выделения кислорода из наноструктурированных оксидов со смешанной кислород-электронной проводимостью

Перовскитоподобные оксиды со смешанной кислород–электронной проводимостью (СКЭП) находят применение в различных инновационных технологиях, например, сепарации кислорода из воздуха с помощью ион-транспортных мембран, которые легко интегрируются в высокотемпературные процессы: каталитической конверсии природного газа в синтез-газ; окислительного пиролиза метана с получением ацетилена; эффективного сжигания топлива с утилизацией углекислого газа, а также конверсии химической энергии топлива в электрическую энергию с помощью твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Для вышеуказанных технологий, как правило, используются материалы, обладающие высокими транспортными характеристиками и стабильностью в условиях эксплуатации. Соединениями, обладающими такими характеристиками, являются нестехиометрические СКЭП оксиды со структурой кубического перовскита ABO_{3- δ}.

Модификация СКЭП перовскитов путем замещения катионов в A- и B- подрешетках позволяет получать новые материалы с необходимыми функциональными свойствами. В лаборатории химического материаловедения ИХТТМ СО РАН в начале 2000-х годов было впервые показано, что изоморфное замещение B-катионов СКЭП оксидов высокозарядными металлами B⁵⁺ (Nb, Ta) и B⁶⁺ (Mo, W) сопровождается увеличением стабильности материала при сохранении высокой кислородной проницаемости. Новая стратегия допирования получила широкое признание и в настоящий момент активно используется другими исследователями для разработки мембранных и электродных материалов.

В дипломной работе в качестве исходного материала для замещения В-катионов высокозарядными металлами будет выбран состав La_1-_xSr_xCo_1-_yFe_yO_{3− δ} (LSCF), являющийся наиболее популярным составом для катодных материалов ТОТЭ. Будет определена непрерывная равновесная фазовая диаграмма модифицированного сегнетоактивным катионом (W, Nb) состава. На основании полученных равновесных фазовых диаграмм будут рассчитаны термодинамические параметры.

Финансирование: Работы по исследованию данных соединений поддержаны грантом Президента РФ.

Научный руководитель: к.х.н. Попов Михаил Петрович, popov@solid.nsc.ru,
+7(913)064-13-85

Место практики: ИХТТМ СО РАН

Тема: Разработка портативных электрогенераторов нового поколения на основе микротрубчатых твердооксидных топливных элементов

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ), способные с высокой эффективностью конвертировать химическую энергию органического топлива непосредственно в электроэнергию, являются наиболее перспективным представителем альтернативной мировой энергетики. Анализ показывает, что на мировом рынке существует огромная потребность в ТОТЭ мощностью от 1Вт до 1 кВт для мобильных и портативных устройств (военные приборы, электромобили, гаджеты и т.д.). Требованиями к таким генераторам электроэнергии являются высокая удельная мощность, прочность и возможность быстрого запуска, что может быть реализовано на микротрубчатых ТОТЭ (мт-ТОТЭ). В России первые работы по мт-ТОТЭ были опубликованы в 2018 году группой ученых под руководством Немудрого А.П. На сегодняшний день передовыми научными группами ведутся активные поиски новых более совершенных катодных материалов для мт-ТОТЭ, способных эффективно работать в области средних температур (500–650°C). Дело в том, что для уменьшения размеров мобильных и портативных мт-ТОТЭ желательно иметь пониженную температуру, а, следовательно, необходим переход от высокотемпературных электролитов на основе оксида циркония к среднетемпературным, например, на основе оксида церия. Снижение рабочей температуры, как известно, приводит к тому, что эффективность ТОТЭ ограничивает катодный материал, на котором возрастает поляризационное сопротивление (из-за падения скорости кислородного обмена между оксидом и газовой фазой). Научной проблемой, на решение которой будет направлена дипломная работа, будет являться изучение механизма кислородного обмена на катодных материалах мт-ТОТЭ и оптимизация, на основе созданных представлений, их транспортных характеристик (а именно, снижение поляризационных эффектов и удельного сопротивления катодных материалов за счет увеличения скорости кислородного обмена с газовой фазой, кислородной и электронной проводимости). Итоговым результатом дипломной работы будет являться создание мт-ТОТЭ с оригинальным катодным материалом.