Лаборатория химического дизайна новых многофункциональных материалов

Научные результаты:

• Отработана методика синтеза сложнооксидных материалов на основе РЗЭ/ЩЗЭ и 3d-переходных металлов. Определены границы областей существования и структурные характеристики многокомпонентных твердых растворов. Выявлены закономерности изменения электротранспортных свойств, термического расширения, кислородной нестехиометрии оксидных материалов при изменении концентрации допантов, температуры и парциального давления кислорода. Проведена оценка химической совместимости исследованных оксидов с наиболее распространенными твердыми электролитами и с компонентами рабочей атмосферы. Проведены расчеты равновесных выходов водорода и дана оценка применимости оксидных материалов для использования в термохимических окислительно-восстановительных циклах. Измерены вольт-амперные характеристики единичных топливных ячеек на основе кислород-проводящего и протон-проводящего электролита.
• Получен большой массив экспериментальных данных о материалах, перспективных для применения в области водородной энергетики, включающий сведения о термодинамической стабильности сложных оксидов, фазовых диаграммах состояния систем, кислородной нестехиометрии и дефектной структуре, а также таких важных функциональных свойствах как электропроводность, термическое расширение, химическая совместимость.
• Установлена взаимосвязь химического состава, кристаллической и дефектной структуры, термодинамики разупорядочения и кислородного обмена с комплексом целевых химических, электрофизических и термохимических свойств сложных оксидов различных структурных типов.
• Показана возможность практической применимости различных оксидных соединений в качестве эффективных реакционноспособных материалов в термохимических окислительно-восстановительных циклах, катодов твердооксидных кислород(протон)-проводящих топливных элементов и анодов электролизеров воды в среднетемпературном интервале.

Внедрение результатов исследования:

Материалы, полученные и охарактеризованные при выполнении проекта, были использованы для создания электрохимического генератора на основе микротрубчатого твердооксидного топливного элемента по договору с Госкорпорацией «Росатом».

Образование и переподготовка кадров:

• Подготовлена и открыта магистерская программа на английском языке «Химия и физика новых многофункциональных материалов»/«Chemistry and Physics of new Functional materials» (код направления подготовки - 04.04.02, первый набор на программу планируется в 2023 году).
• Издан учебник «Химическая термодинамика» (авторы А.Ю. Зуев, Д.С. Цветков. Екатеринбург, Изд-во Уральского университета 2021, 183 с. ISBN 978-5-7996-3029-4).
• В 2020-2022 гг. проведены зимние школы по химии твердого тела и Всероссийские молодежные научные конференции с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии».
• Подготовлены и защищены 1 докторская и 4 кандидатские диссертации.

Сотрудничество:

• Лаборатория CRISMAT (Франция): совместные научные исследования с последующей публикацией результатов в виде статей и тезисов докладов на конференциях.
• Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук (Россия): совместные исследовательские работы по созданию новых материалов для водородной энергетики.
• Госкорпорация «Росатом» (Россия): разработка технологии изготовления микротрубчатого твердооксидного топливного элемента с протон-проводящим электролитом (выполнение договоров в рамках приоритетного направления научно-технологического развития «Водородная энергетика»).