Лаборатория ионики твёрдого тела

Заведующий: к.х.н.
Сунцов Алексей Юрьевич
Телефон: +7(343)227-13-45 (доб. 601)
E-mail:

Состав лаборатории: 10 сотрудников, в том числе 10 научных сотрудников, 5 кандидатов наук.

Общая информация о лаборатории: 

Лаборатория Ионики твёрдого тела, год создания 2019, 11 сотрудников с 1 сентября 2022

Научные направления:

- Дизайн новых электродных материалов для среднетемпературных твердооксидных топливных элементов;

- Разработка газоплотных керамических мембран с повышенной ионной проводимостью для экстракции высокочистого кислорода из воздуха;

- Поиск катионных композиций для создания новых функциональных оксидных материалов с высокой кислородной емкостью и кинетикой взаимодействия с газовой фазой;

- Развитие теоретических представлений о механизмах электро- и массопереноса в структурно-упорядоченных оксидных фазах;

- Синтез и исследование электрохимической активности наноструктурированных покрытий в процессе фотокаталитического расщепления воды.

Значимые результаты

В 2019 защищено две кандидатских диссертации Шишкина Р.А. и Кудяковой В.С.

В 2022 защищена кандидатская диссертация Юферова Ю.В. и готовится к защите кандидатская диссертация Политова Б.В.

Количество публикаций /патентов:

2019 – 5/0

2020 – 10/2

2021 – 10/0

2022 – 15/3

Сотрудничество: с УрФУ, ИВТЭ УрО РАН, ИМЕТ УрО РАН, ИГиГ УрО РАН, ИХТТиМ СО РАН.

Информация о руководителе лаборатории:

Сунцов Алексей Юрьевич, кандидат химических наук. Основной фокус исследований направлен на изучение взаимосвязи кристаллической структуры и химического состава сложнооксидных кристаллических фаз с электрофизическими и термодинамическими характеристиками материалов на их основе. Наиболее глубоко изучены перовскитоподобные слоистые кобальтиты и манганиты, имеющие широкую область гомогенности по кислороду и выгодное сочетание функциональных характеристик, востребованных в современных электрохимических устройствах. В частности высокие значения электронной проводимости и параметров кислород-ионного транспорта выделяет слоистые кобальтиты среди многих оксидных соединений как наиболее перспективный материал  для дизайна катодных материалов среднетемпературных ТОТЭ, а также кислородпроводящих мембран. Особенность слоистой структуры манганитов в сочетании с повышенной термодинамической  и химической стабильностью обозначают конкурентные преимущества данных фаз при разработке анодных материалов и протонпроводящих мембран в глубоковосстановительных условиях. Для интерпретации механизмов массо- и электропереноса автором разработана и верифицирована термодинамическая модель, которая с учетом особенностей кристаллической структуры и химического состава оксидов, позволяет адекватно определить доминирующие процессы дефектообразования в указанных материалах.  Установлено, что основными процессами, которые приводят к образованию электронных и ионных дефектов, являются окисление ионов 3d металлов и их зарядовое диспропорционирование, что обеспечивает образование дополнительных носителей заряда и объясняет высокий уровень электропроводности. По мере изучения дефектной структуры допированных производных было установлено протекание процесса разупорядочения ионов кислорода между неэквивалентными анионными позициями, что сопровождается генерацией дополнительных кислородных вакансий, которые играют важную роль в переносе ионов кислорода по структуре оксида. По мере развития материаловедческой базы и введения новых допирующих агентов в оксиды были вскрыты важные локальные особенности дефектной структуры, понимание которых будет полезным для интерпретации электрофизических свойств и разработке новых функциональных материалов.

Таким образом, был накоплен большой опыт по проведению измерений и интерпретации результатов, имеющих отношение к фундаментальным свойствам оксидных материалов. В настоящее время руководитель проекта занимается, в том числе, и прикладными исследованиями. Здесь также стоит выделить несколько важнейших результатов. Исследованы композиты на основе  Pr0.9Y0.1BaCo2O6–δ с разбавлением 90, 70 и 50% допированным оксидом церия Ce0.8Sm0.2O1.9. Отличная спекаемость с электролитом Ce0.8Sm0.2O1.9, высокая электропроводность катода, низкие поляризационное сопротивление и перенапряжение позволили выделить композитный состав в соотношении 70/30 в качестве перспективного катодного материала. Было установлено, что введение небольших добавок никеля в кобальтовую подрешетку способствует резкому уменьшению величины поляризационного сопротивления до 0.02 Ом·см2 в температурном интервале работы среднетемпературных топливных элементов. Установлено, что введение высокозарядных ионов в кобальтовую подрешетку является эффективным приемом для получения перовскитных слоистых систем, упорядоченных по катионной B-подрешетке. При этой образуется термодинамически стабильная фаза с поляронной проводимостью, которая может разбавлять исходных кобальтит обеспечивая низкие коэффициенты температурного расширения и устойчивые композитные конфигурации, которые могут использоваться в качестве основы для создания катодов твердооксидных топливных элементов с низкими значениями поляризационного сопротивления и устойчивостью к воздействию атмосфер, богатых углекислым газом.

Определенного прогресса удалось добиться в области дизайна материалов с высокой кислородной емкостью для безвоздушного окисления углеводородов. В рамках указанной задачи были изучены перовскитоподобные манганиты и купраты. Первые имеют высокую кислородную емкость  и демонстрируют сосуществование двух различных форм в восстановительной и окислительной области с быстрым переходом между ними. Показано, что допирование железом увеличивает фазовую и структурную устойчивость данных оксидов, позволяя добиться минимальной деградации материала в режиме редокс циклирования. Установлено, что материалы на основе купратов обладают наиболее высокой активностью в процессах окисления/восстановления и могут использоваться в качестве кислородных аккумуляторов в сочетании с инертными носителями.