Програма «Майстерні інновацій» ФІОП РОСНАНО і МГУ імені М.В.Ломоносова підвели підсумки конкурсу «Моя лабораторія». Ми із задоволенням публікуємо кращі роботи.
Чергова захоплююча історія присвячена Лабораторії іоніки твердого тіла ІПХФ РАН в Черноголовке.
Ще на початку XIX століття експериментально було виявлено явище високої іонної провідності в твердих тілах, порівнянної з провідністю розчинів рідких електролітів [1]. Відкриття цього явища можна віднести до робіт англійського дослідника Гемфрі Деві (Humphry Davy, 1778 - 1829) (рис. 1), який спостерігав, що сухі тверді сполуки лужних металів, які не є провідниками, навіть при невеликому зволоженні ставали провідними. Протягом наступних 200 років явище високої іонної або суперіоннойпроводімості стало об'єктом уваги дослідників різних галузей науки (неорганічної і структурної хімії, електрохімії, фізики), що призвело до утворення самостійного напрямку отримав назву «іоніка твердого тіла» [2, 3].
![Технологічний зліт (Нові технології впроваджуються) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-4b637e5d.jpg)
Інтерес до дослідження провідних властивостей твердотільних матеріалів, які стали згодом називатися «тверді електроліти», не випадковий. Він обумовлений не тільки фундаментальними причинами виявлення природи суперіонної провідності і її зв'язку з кристалічною структурою матеріалу, але і можливістю їх подальшого технологічного використання при створенні твердотільних електрохімічних пристроїв різного призначення: хімічні джерела струму, паливні елементи, газові сенсори, електрохромние перетворювачі, електрохімічні мембрани і т . Д.
![Технологічний зліт (Нові технології впроваджуються) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-6034cba1.jpg)
Малюнок 2. Порівняльний розмір сучасних електронних компонент (зліва) і друкована плата, отримана за технологією SMT (праворуч).
Однак ефективне функціонування електронних гаджетів було б не можливо без вдосконалення джерел енергозабезпечення, до яких також пред'являються досить жорсткі вимоги не тільки по масогабаритні характеристики, але і енергоємності і довготривалості функціонування. В даний час літій-іонні акумулятори (рис. 3), призначені для енергозабезпечення портативної електроніки, займають лідируюче місце в світі по своїй поширеності. Але без фундаментальних наукових відкриттів в області електрохімії і матеріалознавства існування таких пристроїв було б неможливо.
![Технологічний зліт (Нові технології впроваджуються) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-a724368b.jpg)
В області створення резервних систем енергозабезпечення портативних електронних пристроїв, крім удосконалення характеристик літій-іонних акумуляторів, активно ведуться роботи, пов'язані з розробкою воднево-повітряних твердополімерних паливних елементів. Одним з ключових моментів, що визначають перспективність цих розробок, є значна енергоємність паливних елементів, яка в кілька разів перевищує найсучасніші літій-іонні акумулятори. Одним з провідних розробників енергосистем на основі твердополімерних паливних елементів в Росії є Лабораторія іоніки твердого тіла (ЛІТТ) Інституту проблем хімічної фізики Російської академії наук (ІПХФ РАН).
II. Історія Лабораторії іоніки твердого тіла
![Технологічний зліт (твердополімерних паливних елементів) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-c5250e45.jpg)
Лабораторія була заснована в 1964 році з ініціативи академіка А.Н. Фрумкіна в складі Інституту електрохімії Академії наук СРСР як Лабораторія електрохімії розплавлених солей під керівництвом професора Євгена Олександровича Укше (рис. 4) [4-5]. У 1967 році лабораторія була переведена в Інститут нових хімічних проблем Академії наук (ІНХП АН) СРСР (Черноголовка) Відділення фізико-хімії і технології неорганічних матеріалів АН СРСР. Основні наукові завдання, які вирішувались у галузі хімії розплавлених солей, включали визначення ємності подвійного електричного шару в розплавлених солях, дослідження електрохімічних процесів на межі метал / іонний розплав і вивчення кінетики розчинення хлору в розплавлених хлоридах.
Історично склалося так, що разом зі зміною наукового напрямку досліджень змінювалося і назва лабораторії. З 1975 року лабораторія перетворена в Лабораторію електрохімії твердих електролітів. В рамках «твердоелектролітной» тематики проводилися дослідження по синтезу і вивченню властивостей твердих електролітів з високою провідністю (суперіонних провідників) і неметалічних електродних матеріалів зі змішаною електронно-іонної провідністю (оксидні бронзи). Серед найбільш значущих результатів того періоду можна виділити наступне: отримані нові матеріали з високою провідністю по іонам Li +. Na +. K +. Cu + і Н +; розроблені способи кількісного опису провідності двофазних (розподілених) і матричних структур суперіонік-метал, суперіонік-діелектрик і полікристалічних суперіонних провідників; запропонована кількісна модель адсорбційної релаксації подвійного електричного шару в твердих електролітах; відкрита і експериментально доведено залежність роботи виходу електрона з суперіоніка від природи електрода; показано трансвліяніе одного електрода на кінетичні характеристики іншого через електронну підсистему суперіоніка.
Останнє п'ятиліття наукової діяльності Євгена Олександровича Укше було присвячено електрохіміческойсенсоріке. У зв'язку з чим в 1989 році лабораторія перейменована в Лабораторію електрохімії сенсорних структур. Цей напрямок тісно пов'язане з однією з фундаментальних проблем природознавства - існуванням енергоінформаційного обміну багатофазних структур з навколишнім середовищем, при якому хімічні реакції на фазової кордоні газ / тверде тіло змінюють енергетичні та фізико-хімічні характеристики твердої структури. Проведені дослідження були спрямовані на отримання матеріалів для твердотільних електрохімічних сенсорів, вивчення проблем передачі інформації в процесі перетворення хімічної або механічної енергії в електричну в іонно-електронних структурах, а також розробку твердотільних сенсорних структур (рис. 5). Накопичений багатий експериментальний матеріал по властивостям твердих електролітів і змішаних електронно-іонних провідників, а також особливостям електрохімічних процесів на межі електрод / твердий електроліт дозволив перейти до спрямованого отримання матеріалів для твердотільних електрохімічних сенсорів. Результатом цих робіт стала розробка низькотемпературних твердотільних електрохімічних систем, що дозволяють селективно і з високою чутливістю визначати концентрацію таких активних газів як: H2. H2 S, CO і CO2 в повітрі при кімнатній температурі. У співпраці з ТОВ «Елінс» були створені портативні сенсори для детектування концентрації водню. Дані пристрої дозволяли проводити як разове визначення, так і безперервний моніторинг вмісту водню в повітрі. У разі перевищення заданої концентрації детектируемого газу пристрій сповіщало звуковим і світловим сигналами.
![Технологічний зліт (іоніки твердого тіла) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-8cd131a0.jpg)
Малюнок 5. Експериментальний зразок сенсора водню, створений спільно з ТОВ «Елінс» [5].
![Технологічний зліт (твердополімерних паливних елементів) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-be549b6f.jpg)
Малюнок 6. Завідувач Лабораторією іоніки твердого тіла професор Ю.А. Добровольський (фото зі статті Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів).
- низькотемпературні катіонпроводящіе тверді електроліти та змішані електронно-іонні провідники: синтез, дослідження структури і властивостей;
- протонпровідні полімерні і композитні мембрани, суперпротонікі: синтез, дослідження структури і властивостей;
- механізм іонного переносу в твердих тілах: експериментальне дослідження і теоретичне моделювання;
- поведінка кордонів електронний (змішаний) провідник / твердий електроліт в різних газових середовищах;
- апаратура і методи дослідження електродних процесів в системах на основі твердих електролітів;
- напівпровідникові оксидні і халькогенідні електродні матеріали: морфологія поверхні, адсорбційні і хімічні процеси в поверхневих шарах;
- низькотемпературні паливні елементи: отримання і дослідження властивостей суперпротонних мембран, електродні матеріали та електрохімічних процесів;
- низькотемпературні газові сенсори на основі твердих електролітів: створення макетних зразків і визначення механізмів функціонування.
III. Воднево-повітряні твердополімерним паливні елементи
Розробка систем енергозабезпечення, які використовують принцип роботи паливного елемента (ТЕ), поряд з удосконаленням літієво-іонних акумуляторів енергії, є одним із пріоритетних напрямки сучасної енергетики. Основні принципи роботи ТЕ вперше були продемонстровані англійським дослідником Вільямом Гроув (William Grove, 1811-1896) ще в 1839 році при дослідженні електролізу води (рис. 7). Гроув спостерігав, що при електролізі води після відключення напруги в ланцюзі протікав невеликий струм в протилежному напрямку, який є результатом реакції між продуктами електролізу (воднем і киснем), що каталізує платиновими електродами. Він досліджував можливість послідовного з'єднання декількох осередків, які формують, таким чином, газову гальванічну батарею (рис. 7).
![Технологічний зліт (Нові технології впроваджуються) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-170838e8.jpg)
Малюнок 7. Вільям Гроув і його воднево-повітряна гальванічна батарея
Паливні елементи на основі твердополімерних протонних електролітів, часто званих протонобменнимі мембранами (Proton Exchange Membrane - PEM), є одними з найбільш ефективних пристроїв, що перетворюють хімічну енергію в електричну. Одинична паливна комірка складається з пористих електродів (анода і катода), поділюваних газощільної протонпровідні мембраною типу Nafion ® (рис. 8). Така система, зібрана разом, носить назву мембранно-електродний блок (МЕБ). Водень реагує на анодної стороні, в той час як з кисень (з повітря) - на катодного. В результаті цих реакцій у зовнішній ланцюга виникає постійний струм. При цьому єдиним продуктом реакції є вода. ТЕ на основі PEM здатні розвивати високу питому потужність (
1 Вт / см 2). Крім того, вони характеризуються високою динамічністю при роботі - практично моментально після включення виходять на режим з номінальною потужністю. Величина потужності може варіюватися від декількох мкВт до кВт в залежності від конструкції і призначення ТЕ.
![Технологічний зліт (Нові технології впроваджуються) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-4e317352.jpg)
Малюнок 8. Схема паливного елемента з полімерної протонобменной мембраною.
Розвиток твердополімерних паливних елементів було б не можливо без застосування нанотехнологій. В першу чергу це стосується створення високоефективних наноструктурованих каталізаторів (рис. 9) (перехід до нанокаталізатори забезпечує збільшення електрокаталітичної активності, зниження витрати металів платинової групи і підвищення терміну служби пристроїв) [6-8]. Крім цього нанотехнології активно використовуються для отримання наноструктурованих мембран, що застосовуються в системах отримання і очищення водню, а також в водневих сенсорах [9, 10]. Слід зазначити використання нанотехнологій при отриманні нанорозмірних матеріалів, які є основою водневих акумуляторів з високою ємністю за воднем [11, 12].
![Технологічний зліт (іоніки твердого тіла) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-a17b6b7e.jpg)
Малюнок 9. Наночастки платини, нанесені на вуглецеві нанотрубки [7].
Основними перевагами використання ТЕ є високий ККД роботи (40-60%), екологічна чистота, безшумність, а також можливість використання в якості палива - водню, що є дуже зручним енергоносієм, завдяки широким можливостям його генерації [13].
Ці причини і зумовлюють перспективність переходу до систем генерації енергії на основі паливних елементів, в основі використання яких лежить висока ефективність перетворення водневого палива і екологічна чистота.
IV. Перспективи розвитку Лабораторії: розробка резервних систем генерації енергії на основі воднево-повітряних паливних елементів
В даний час акцент виконуваних робіт в Лабораторії іоніки твердого тіла змістився в область розробки технологічних основ виробництва воднево-повітряних паливних елементів. Під керівництвом професора Юрія Анатолійовича Добровольського в Лабораторії ведуться роботи зі створення електрохімічних генераторів енергії на основі воднево-повітряних паливних елементів потужністю до 1 кВт.
Для виробництва паливних елементів на базі Лабораторії розгорнуті технологічні ділянки, що включають:
- синтез каталізаторів і виготовлення каталітичних чорнила;
- нанесення каталізаторів методом ультразвукового розпилення (рис. 10);
- виготовлення мембранно-електродних блоків (МЕБ) методом гарячого пресування;
- тестування електрохімічної активності каталізаторів і вимір потужних характеристик МЕБ (рис.11);
- фрезерувальні та обладнання свердлильні для макетування і виготовлення експериментальних зразків батарей паливних елементів;
- обладнання для 3D прототипирования батарей паливних елементів;
- збірку і тестування батарей паливних елементів.
![Технологічний зліт (іоніки твердого тіла) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-d350ca20.jpg)
Малюнок 10. Настільна система нанесення покриттів Prism Ultra Coat. Напилення каталітичних чорнила на газодифузійний шар. (Фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
![Технологічний зліт (твердополімерних паливних елементів) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-7f35e0f7.jpg)
Малюнок 11. Стенд Greenlight Innovation електрохімічного тестування мембранно-електродних блоків воднево-повітряних паливних елементів. (Фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
За порівняно короткий проміжок часу (близько року) колективом Лабораторії був розроблений оригінальний дизайн конструкції батарей твердополімерних паливних елементів (рис. 12) і відпрацьовані технологічні стадії їх поетапної зборки. Завдяки застосуванню сучасного високотехнологічного обладнання, вдалося досягти відтворюваності електрохімічних характеристик паливних осередків і організувати їх напівпромислове виробництво. Реалізація даної роботи була б неможлива без об'єднання зусиль з боку ЛІТТ ІПХФ РАН, ОАК ЦИАМ ім. П.І. Баранова, «Іжмаш-Безпілотні системи» і «АФМ-Серверс». Потенційною сферою застосування розроблених електрохімічних генераторів на паливних елементах може бути енергозабезпечення мобільної техніки, наприклад безпілотних літальних апаратів (рис. 13).
![Технологічний зліт (впроваджуються конструкції лайнерів) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-29a04d4b.jpg)
Малюнок 12. Батарея твердополімерних паливних елементів, створена колективом Лабораторії іоніки твердого тіла під керівництвом професора Ю.А. Добровольського (фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
![Технологічний зліт (Нові технології впроваджуються) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-f0d3a28c.jpg)
Малюнок 13. Монтаж батареї твердополімерних паливних елементів в безпілотний літальний апарат (фото зі статті в Нові технології впроваджуються в конструкції лайнерів)
VI. Список використаної літератури
![Технологічний зліт (впроваджуються конструкції лайнерів) технологічний зліт](https://images-on-off.com/images/132/texnologicheskiyvzlet-11b3743d.jpg)
Досвід навчання в області нанотехнологічного технопідприємництво
У цьому опитуванні ми просимо поділитися досвідом і Вашим ставленням до нанотехнологічної технопідприємництво і суміжних галузей. Заранее спасибо за Вашу небайдужість!
Проектна робота
Сьогодні стає все більш популярною так звана проектна робота школярів, однак на цей рахунок є дуже різні думки. Ми були б вдячні, якби Ви висловили коротко свою думку з цього приводу шляхом голосування. Заздалегідь вдячні!