Новый подход к увеличению протонной проводимости оксидных материалов со структурой типа пирохлора

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-23-01121

НазваниеНовый подход к увеличению протонной проводимости оксидных материалов со структурой типа пирохлора

Руководитель Кузьмин Антон Валериевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" , Кировская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Протонпроводящие оксиды, водородная проницаемость, кристаллическая структура, пирохлор, дефектная структура, электрохимические ячейки, водородная энергетика, процессы гидратации, твердооксидные электролизеры

Код ГРНТИ31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Инкорпорирование водяного пара в кислородные вакансии оксидов при высоких температурах приводит к возникновению в них протонной проводимости. Однако лишь в сложных оксидах некоторых структурных типов, таких как перовскиты и пирохлоры, возможен процесс переноса протонов. Выявление закономерностей влияния химического состава и микроструктуры оксидов на процессы дефектообразования и протонного переноса позволит, в конечном счете, сформулировать фундаментальные принципы создания материалов с требуемыми функциональными свойствами. Разработка таких материалов интересна не только с точки зрения создания протонно-керамических топливных элементов, но и систем контроля состава водород-содержащих компонентов газовой фазы в реакторах неорганического синтеза и каталитических установках, а также системах контроля концентрации входных и выходных газов различного лабораторного и промышленного оборудования, включая установки с ионизирующим излучением. Использование оксидной керамики с высокой термической, химической и радиационной стабильностью в качестве электролитической мембраны позволяет рассчитывать на длительную работу подобных устройств при высоких температурах и в «агрессивных» условиях. Настоящий проект направлен на разработку нового научного подхода к увеличению протонной проводимости оксидных материалов со структурой пирохлора на основе цирконатов РЗЭ за счёт значительного повышения доли зернограниченого протонного переноса в нанокристаллических структурах. Научными задачами проекта являются: 1) Выявление условий формирования нанокристаллической керамики на основе цирконатов РЗЭ со структурой пирохлора. 2) Установление закономерностей влияния микроструктуры материалов на гидратацию и граничнозеренный протонный перенос в нанокристаллической керамике на основе цирконатов РЗЭ. 3) Установление взаимосвязи между процессом гидратации и изменениями в кристаллической структуре цирконатов РЗЭ. В результате выполнения проекта будет сформирован научный задел по созданию протонно-керамических электрохимических устройств, обеспечивающих объекты промышленного и специального назначения новыми эффективными электрохимическими устройствами. Процессы образования и переноса протонных дефектов очень хорошо изучены для материалов со структурой перовскита, тогда как для пирохлоров A2B2O7 многие аспекты остаются невыясненными. Оксидные керамические материалы на основе цирконатов РЗМ используются в авиации и космической технике благодаря их высокой термической, химической и радиационной стабильности, но их применение в качестве протонпроводящих мембран в настоящее время практически не рассматривается. Мы выделили два ключевых вопроса, за счёт решения которых можно повысить протонную проводимость подобных соединений: (1) – с чем связан существенно заниженный уровень гидратации материалов со структурой пирохлора и (2) – можно ли воспользоваться высокой степенью структурного разупорядочения на границах зерен пирохлоров для максимизации протонного транспорта. В связи с последним, важно разработать метод получения нанокристаллической керамики, в которой доля зернограничного переноса будет максимальна. Выявление влияния микроструктурных параметров на образование протонных дефектов и протонную проводимость в цирконатах РЗМ является важной задачей, способствующей применению этих материалов в производстве различных электрохимических устройств. Подобный подход к существенному увеличению протонной проводимости пирохлороподобных оксидов предложен нами впервые и ранее никем не изучался, однако коллектив проекта имеет большой опыт и экспериментальные возможности в исследовании структуры и транспортных свойств протонпроводящих материалов, формировании различных керамических материалов с заданными функциональными свойствами, что обеспечивает успешность реализации данного проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Строева A. Ю., Иванов А.В., Ичетовкин З.Н., Воротников В.А., Бервицкая О.С., Кузьмин А. В. Формирование заданной микроструктуры материалов на основе цирконата лантана при варьировании методик синтеза Институтом проблем химической физики РАН, 16-е совещание с международным участием «Фундаментальные проблемы ионики твердого тела», Черноголовка, 27 июня – 03 июля 2022 г. Труды совещания. Стр 151-152 (год публикации - 2022)

2. Воротников В.А., Софронов Р.Г., Строева А.Ю., Кузьмин А.В. Влияние допирования кальцием на фазовый состав, микроструктуру и электропроводность Sm2Zr2O7 Девятая всероссийская конференция с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» 20 – 23 июня 2022 г. Черноголовка, Сборник трудов. Стр. 102 (год публикации - 2022)

3. В.А. Воротников, С.А. Беляков, А.Ю. Строева, М.С. Плеханов, А.В. Иванов, А.М. Дувакин, А.М. Фоминых, А.В. Кузьмин Влияние катионного состава на фазовый состав, микроструктуру и транспортные свойства цирконатов редкоземельных элементов Вторая школа молодых ученых «Электрохимические устройства: процессы, материалы, технологии», г. Новосибирск, 28-30 ноября 2022. Сборник тезисов. Стр. 47., Вторая школа молодых ученых «Электрохимические устройства: процессы, материалы, технологии», г. Новосибирск, 28-30 ноября 2022. Сборник тезисов. Стр. 47. (год публикации - 2022)

4. В.А. Воротников, С.A. Беляков, M.С. Плеханов, A.Ю. Строева, A.С. Лесничева, O.М. Жигалина, Д.Н. Хмеленин, А.В. Атанова, В.Г. Басу, А.В. Кузьмин Proton transfer in La2-xCaxZr2O7-δ pyrochlores: Reasons for limited water uptake and high grain boundary conductivity Ceramics International, Volume 48, Issue 23, Pages 35166-35175 (год публикации - 2022)
10.1016/j.ceramint.2022.08.115

5. Воротников В.А., Строева А.Ю., Беляков С.А. , Иванов А.В., Гребнев В.В., Дувакин А.М., Фоминых А.М., Кузьмин А.В. Акцепторно-допированные цирконаты лантана и самария: структура, морфология и транспортные свойства Десятая всероссийская конференция «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» 18 - 21 сентября 2023 года г. Черноголовка, Сборник трудов. Стр 73-74, Десятая всероссийская конференция «Топливные элементы и энергоустановки на их основе» 18 - 21 сентября 2023 года г. Черноголовка, Сборник трудов. Стр 73-74 (год публикации - 2023)
10.26201/ISSP.2023/FC.26

6. Воротников В.А., Строева А.Ю., Беляков С.А. , Иванов А.В., Гребнев В.В., Дувакин А.М., Фоминых А.М., Кузьмин А.В. Модификация транспортных свойств ион-проводящих цирконатов редкоземельных элементов ООО «Издательство «ЛЕМА», 2023. – с., X Всероссийская конференция (с международным участием) «Высокотемпературная химия оксиидных систем и метариалов»: Сборник тезисов докладов, г. Санкт-Петербург, 5-9 июня 2023 г. (год публикации - 2023)

7. Воротников В.А., Беляков С.А., Иванов А.В., Новикова Ю.В., Строева А.Ю., Гребенев В.В., Хмеленин Д.Н., Емельянова О.В., Плеханов М.С., Кузьмин А.В. Equilibrium of intrinsic and impurity point defects in Ca-doped Sm2Zr2O7 Наносистемы: физика, химия, математика «Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics»), Наносистемы: физика, химия, математика «Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics») 2024, 15 (1). (год публикации - 2024)

Публикации