Лаборатория электрохимических устройств на твердооксидных протонных электролитах

1. Исследованы процессы электро- и массопереноса, реализуемые в ТОТЭ на основе протонпроводящих материалов в различных режимах (с постоянным или меняющимся составом газовой атмосферы вдоль электролитной мембраны). В проведенных расчетах проведен учет влияния дефектной структуры материалов, напряжения во внешней цепи, распределения парциальных токов и локальной электронейтральности на распределение протонной проводимости в мембране, среднюю протонную проводимость, а также напряжение разомкнутой цепи. Расчеты представлены для случаев с униполярной протонной и смешанной ионно-электронной проводимостью.
2. Синтезированы и исследованы свойства боросиликатных стеклогерметиков. Их совместимость с электролитами проверена методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и оценкой адгезионных свойств.
3. Синтезированы электродные материалов для их применения в ТОТЭ с целью замены дорогостоящих платиновых электродов. Проведено исследование их структурных, термических, электрических свойств, а также совместимость с электролитами на основе церата и цирконата бария. Подобраны наиболее оптимальные композиции.
4. Проведена оптимизация электролитных материалов по таким параметрам, как стабильность, ионная проводимость и термическое расширение. Выполнены исследования по выявлению корреляции между природой акцепторного допанта, а также концентрацией спекающей добавки и изменением перечисленных выше свойств. Получены новые электролиты, которые составили основу ячеек водородного сенсора и обратимого твердооксидного топливного элемента. Получены принципиально новые материалы на основе церато-цирконата бария, допированного акцепторными примесями, и изучены их функциональные свойства, включая микроструктурные, термические и транспортные характеристики. Установлено, что Dy-содержащие системы характеризуются наилучшими электрическими характеристиками как по объему керамики, так и по ее границам зерен. Исследован ряд состава BaCe_0.8–xZr_xDy_0.2O_3–δ и определены составы материалов, пригодных для электролизеров для получения водорода или восстановления СО₂ до СО.
5. Разработаны электрохимические ячейки планарного типа для проверки возможности электрохимического восстановления СО₂ до СО с помощью электролизера-реактора на основе протонпроводящих электролитов. Ячейка планарного типа была получена с применением метода совместной прокатки пленок и состояла из выбранного электролита толщиной 50 мкм.
6. Исследованы особенности нанесения защитных покрытий на интерконнектор Croffer с целью улучшения его стабилизационных характеристик в условиях испытания стеков ТОТЭ и ТОЭ.
7. В рамках выполнения работ по этому направлению проведены всесторонние исследования, связанные с разработкой новых конструкций электрохимических устройств (твердооксидных сенсоров), новых многослойных элементов (электролит/электродных гетероструктур, композиционных электродов) для последующих электрохимических приложений, изучением электродных процессов, протекающих в электрохимических устройствах, и процессов кислородного массопереноса через границу раздела фаз «твердое тело/газ». Наряду с прикладными разработками выполнены теоретические исследования, которые были посвящены моделированию электро-, массопереноса и исследованию деградационных процессов в электрохимических устройствах.

Внедрение результатов исследования:

• В лаборатории разработан и изготовлен экспериментальный образец датчика содержания кислорода, предназначенный для определения выхода по току электролизера «металлизации» – одного из аппаратов пирохимического передела переработки отработанного ядерного топлива (проектное направление Росатома «Прорыв»).
• Индустриальным партнером института – малым инновационным предприятием ООО «ЭлектроХимГенерация» на основе научных результатов, созданных в лаборатории, разработаны и изготовлены экспериментальные образцы (макеты) установок очистки инертных газов от кислорода. Эти установки предназначены для очистки от кислорода аргона, используемого для обеспечения работы аппаратов пирохимического передела переработки отработанного ядерного топлива (проектное направление Росатома «Прорыв»).
• Разработаны технологические инструкции для изготовления керамических изделий методом плазменного напыления и технические условия «Изделия из диоксида циркония плотные плазменнонапыленные».

Образование и переподготовка кадров:

Чтение курсов: 

• Вариативный курс по программе высшего образования – программа подготовки научных и научно-педагогических кадров в аспирантуре «Технология публикации статей в высокорейтинговых журналах», Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН.
• Лекционный курс «Общая и бионеорганическая химия», Уральский федеральный университет.
• Лекционный курс «История и методология химии», Уральский федеральный университет.
• Лабораторные занятия «Общая химия», Уральский федеральный университет.
• Лабораторные занятия «Химия s- и p-элементов», Уральский федеральный университет.

Ежегодно в лаборатории проводятся стажировки студентов (не менее 3 чел.) из Химико-технологического института УрФУ им. Б.Н. Ельцина.

Внутрироссийское сотрудничество:

• Институт химической физики имени Н. Н. Семёнова РАН: проведение совместных исследований в области разработки новых протонных проводников.

Международное сотрудничество:

• WA School of Mines: Minerals, Energy and Chemical Engineering, Curtin University, Australia: Проведение совместных исследований в области твердооксидных топливных элементов.
  
• Aveiro Institute of Materials, Department of Materials and Ceramic Engineering, University of Aveiro, Portugal: проведение совместных исследований в области ионики и химии твердого тела.
• Institute of Materials for Energy and Environment, College of Materials Science and Engineering, Qingdao University, PR China: проведение совместных исследований в области протонпроводящих материалов и устройств на их основе.
• College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, China: проведение совместных исследований в области протонпроводящих материалов и устройств на их основе.