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 25-19-20013
НазваниеСоздание высокоэффективных электродных материалов для суперконденсаторов на основе наноструктурных оксидных полупроводников вакуумно-дугового синтеза
Руководитель Гончарова Елена Анатольевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский федеральный университет" , Красноярский край
Конкурс №101 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах
Ключевые слова Суперконденсатор, наноструктурные материалы, оксид молибдена, оксид кобальта, электрохимические свойства, дуговой разряд низкого давления.
Код ГРНТИ29.19.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Ожидаемые результаты
В процессе исследований будут оптимизированы наиболее значимые технологические параметры синтеза наноструктурных материалов в плазме дугового разряда низкого давления. Будут определены параметры давления газовой смеси, на основе кислорода (реакционный газ) и плазмообразующего газа для формирования наночастиц со средним размером до 20 нм с высокой удельной поверхностью. Будут определены параметры температуры подложки и парциального давления на основе кислорода и плазмообразующего газа, обеспечивающие формирование аморфных и кристаллических наноструктурных материалов на основе оксидов кобальта и молибдена. Будет создана технологическая оснастка и конструкция дугового испарителя для синтеза наноструктурных материалов на основе оксидов кобальта и молибдена. На основании проведённых исследований по оптимизации технологических параметров будет разработан метод, позволяющий синтезировать в плазме дугового разряда низкого давления, аморфные и кристаллические наноструктурные материалы на основе оксидов кобальта и молибдена. Будут получены экспериментальные образцы наноструктурных материалов на основе оксидов кобальта и молибдена, и исследованы их морфологические свойства, удельная поверхность, термическая стабильность, поверхностные свойства, фазовые и структурные состояния.
Будет установлены параметры температурной и частотной зависимости модуля импеданса и угла сдвига фазы, удельной проводимости, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, емкостных характеристик наноструктурных материалов на основе оксидов кобальта и молибдена. Будут проведены электрохимические исследования синтезированных наноструктурных материалов на основе оксидов кобальта и молибдена. Будут получены рабочие электроды на основе синтезированных наноструктурных оксидов кобальта и молибдена. Методом циклической вольтамперометрии будет установлен характер накопления заряда; кинетика межфазных окислительно-восстановительных процессов на границе электрод-электролит и особенности переноса ионного заряда; циклическая стабильность электрода; удельная емкость и т.д. Будут проведены исследования наноструктурных материалов на основе оксида кобальта методом гальваностатического заряда-разряда. Методом спектроскопии электрохимического импеданса будут получены численные значения емкостных и резистивных характеристик электролит/активный материал на основе оксида кобальта/токоприёмник. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, будут соответствовать мировому уровню, и по результатам работы мы планируем опубликовать серию статей в рецензируемых научных журналах.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде выполнен комплекс экспериментальных и аналитических работ по вакуумно-дуговому синтезу наноструктурных материалов на основе оксида кобальта, направленный на установление связей между параметрами плазменно-конденсационного процесса, морфологией, фазовым составом и электрофизическими характеристиками получаемых нанопорошков.
Проведены серии синтезов при варьировании общего давления газовой смеси Ar+O2 (10–170 Па) и парциального давления кислорода при фиксированном общем давлении 80 Па. Показано, что давление в камере критически определяет механизм роста частиц: при низких давлениях реализуется баллистический перенос и формируются крупные и полидисперсные частицы, при 70–120 Па доминирует коагуляционный рост наноразмерных кластеров и образуются однородные нанопорошки с размером частиц 2–8 нм, тогда как при 170 Па вновь возрастает полидисперсность и доля капельной фазы. Оптимальным диапазоном для получения мелкодисперсных и структурно упорядоченных наночастиц Co3O4 определена область около 70 Па.
При варьировании pO2 (0–40 % O2 в смеси с Ar) установлено, что фазовый состав Co/CoO/Co3O4 изменяется нелинейно и определяется балансом скоростей испарения, окисления и охлаждения конденсата. Выделены режимы получения металлического кобальта (pO2=0), двухфазных Co/CoO систем (pO2≈1 %), трёхфазных композитов Co/CoO/ Co3O4 (pO2≈5 и 40 %) и практически монофазной наношпинели Co3O4 (pO2≈20 %). Экспериментально показано, что при слишком высоком pO2 устойчивость дуги снижается, что приводит к повторному появлению металлической фазы и росту дефектности оксидов.
Разработана и реализована оригинальная конструкция дугового испарителя с кобальтовым катодом, содержащим центральный канал для локальной подачи газа. В базовом режиме через канал подаётся аргон, формируя защитную «оболочку» вокруг катодного пятна; в альтернативном режиме через то же отверстие обеспечивается локальная подача кислорода непосредственно в зону горения дуги. Это позволило адаптивно управлять локальным парциальным давлением кислорода в зоне испарения без изменения атмосферы во всём объёме камеры, снизить окисление катода и стенок и обеспечить более воспроизводимый фазовый состав нанопорошков.
Синтезированные нанопорошки были комплексно охарактеризованы методами ИК- и Раман-спектроскопии, термического анализа и рентгенофазового анализа с полнопрофильной обработкой. ИК- и Раман-спектры позволили количественно описать влияние давления и pO2 на дефектность решётки и степень структурной упорядоченности Co3O4 и CoO1–δ и показали, что минимальная дефектность и «эталонная» фононная картина шпинели реализуются при 70 Па. Термический анализ в диапазоне 30–1100 °C выявил эволюцию степени исходной окисленности образцов и температуру разложения Co3O4, служащую устойчивым маркером для сравнения серий.
Изучены электрофизические свойства нанопорошков: температурные зависимости проводимости (20–200 °C) и импедансные спектры в диапазоне 102–108 Гц. Определены энергии активации проводимости для образцов с различным соотношением Co/CoO/Co3O4 и показано, что их снижение связано с ростом доли кислорододефицитных фаз и металлического кобальта, а также увеличением отношения Co2+/Co3+ (малополяронный транспорт). По импедансным измерениям выделены вклады внутрезеренной и зернограничной проводимости, электродной и межфазной поляризации Maxwell–Wagner, построены годографы, частотные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь. Обоснован выбор рабочей частоты 1 МГц как оптимальной для температурных измерений, при которой минимизирована электродная поляризация и селективно зондируются объёмные и межзеренные процессы.
На этой частоте выполнены температурные исследования до 300 °C для репрезентативных образцов N10, N40, N70 и N120, что позволило проследить переход от перколяционной металлической сети к наношпинели с развитой межфазной поляризацией, установить связь между фазовым составом, морфологией и ёмкостными характеристиками и выделить перспективные композиции: N10 и N70 – для реализации высокоёмкостных барьерно-слоевых структур, N40 и N120 – как модельные оксидные полупроводниковые композиты с управляемыми RC-параметрами.