Лаборатория ионики твёрдого тела
Уваров Николай
Фавстович
Заведующий лабораторией – Уваров Николай Фавстович,
доктор химических наук
E-mail:
uvarov@solid.nsc.ru
Лаборатория ионики твёрдого тела, до 2021 г - Лаборатория неравновесных твердофазных систем, до 1998 г. Лаборатория структурных исследований, была организована на основе группы структурных исследований (рук. группы, а затем зав. лабораторией – д.х.н. Ю.Т. Павлюхин). До 2012 г. лабораторий руководил д.х.н. Ю.Т. Павлюхин, с 2012 г. – д.х.н. Н.Ф. Уваров.
Сотрудники
Фамилия Имя Отчество |
должность |
телефон |
внут. тел. |
комната* |
e-mail |
УВАРОВ Николай Фавстович |
Гл.н.с. |
233-24-10 *1207 |
1207 |
204(Л) |
@
|
БОХОНОВ Борис Борисович |
Вед.н.с. |
233-24-10 *1146 |
1146 |
101 печной |
@
|
ПОНОМАРЕВА Валентина Георгиевна |
Вед.н.с. |
233-24-10 *1529 |
1529 |
309(Г) |
@
|
МАТЕЙШИНА Юлия Григорьевна |
С.н.с. |
233-24-10 *1133 |
1133 |
209(Л) |
@
|
УЛИХИН Артем Сергеевич |
С.н.с. |
233-24-10 *1207 |
1207 |
204(Л) |
@
|
БАГРЯНЦЕВА Ирина Николаевна |
С.н.с. |
233-24-10 *1529 |
1529 |
309(Г) |
@
|
УХИНА Арина Викторовна |
С.н.с. |
233-24-10 *1149 |
1149 |
209(Л) |
@
|
ЗИМА Татьяна Мефодьевна |
С.н.с. |
233-24-10 *1535 |
1535 |
310(Г) |
@
|
ОВЧИННИКОВА Светлана Николаевна |
С.н.с. |
233-24-10 *1510 |
1510 |
515(Г) |
@
|
АЛЕКСАНДРОВА Татьяна Павловна |
Н.с. |
233-24-10 *1506 |
1506 |
505(Г) |
@
|
ПОДГОРНОВА Ольга Андреевна |
Н.с. |
233-24-10 *1207 |
1207 |
204(Л) |
@
|
ХУСНУТДИНОВ Вячеслав Рамильевич |
М.н.с. |
233-24-10 *1207 |
1207 |
204(Л) |
@
|
СИНЕЛЬНИКОВА Юлия Евгеньевна |
М.н.с. |
233-24-10 *1133 |
1133 |
209(Л) |
@
|
ФЕДОРОВ Никита Александрович |
Аспирант |
233-24-10 *1207 |
1207 |
204(Л) |
|
ЛОГИНОВ Антон Викторович |
Аспирант |
|
|
|
@
|
КИСЛИЦЫН Юрий Васильевич |
Вед.инженер |
233-24-10 *1514 |
1514 |
518(Г) |
|
БРЕЖНЕВА Лариса Ильинична |
Вед. инж. |
233-24-10 *1148 |
1148 |
209(Л) |
|
ШУТОВА Елена Сергеевна |
Вед.инж. |
233-24-10 *1529 |
1529 |
308(Г) |
|
КОСТЫРЯ Марина Анатольевна |
Инженер 2кат. |
233-24-10 *1519 |
1519 |
511(Г) |
|
Основные направления исследований
- Разработка методов синтеза наноматериалов с контролируемой морфологией.
- Исследование механизма ионного переноса в твердых веществах.
- Изучение композиционных твердых электролитов, в том числе ионной проводимости нанокомпозитов.
- Разработка твердотельных электрохимических устройств.
Основные научные результаты
-
Проведено детальное исследование структурных и морфологических изменений при реакции термического разложения гидратных фаз оксалатов олова, железа, марганца, меди, церия и иттрия. Исследована стадийность реакций дегидратации, предложены механизмы структурных превращений, которые реализуются при различных условиях реакции. Эти превращения вызывают различные деформации исходной структуры, что приводит к различиям в масштабах разрушения, изменениях размеров и формы кристаллов. Показано, что при определенных условиях проведения процесса конечные продукты образуются в виде псевдоморфозы, состоящей из наночастиц размерами менее 10 нм. В псевдоморфозе наночастицы связаны друг с другом прочными контактами и образуют высокопористый трёхмерный каркас. Синтезированные псевдоморфозы могут быть использованы в качестве оксидных матриц для создания нанокомпозиционных функциональных материалов, в том числе твердых электролитов.
Морфология псевдоморфоз оксидов железа Fe2O3 (слева), олова SnO2 (в центре) и церия CeO2 (справа).
- Проведены детальные исследования структуры и транспортных свойств смешанных соединений на основе кислых солей щелочных металлов (CsH2PO4)1-x(CsHSO4)x, K1-хCsх(H2PO4)1-х(HSO4)х и Rb1-хCsх(H2PO4)1-х(HSO4)х в широком диапазоне составов. Показано, что в определенной области составов эти системы изоструктурны высокотемпературной кубической фазе CsH2PO4 или разупорядоченной фазе со структурой β-Cs3(HSO4)2(H2PO4) и характеризуются высокими значениями проводимости 10-3-10-2 См/см при 100-230 oC в режиме длительной изотермической выдержки, что важно для протонных мембран среднетемпературных электрохимических устройств.
- Проведено систематическое исследование ионной проводимости различных фаз нитрата рубидия. Методом молекулярно-динамического моделирования показано, что проводимость нитрата рубидия осуществляется за счет дефектов Шоттки, а носителями тока в фазах IV и III являются катионы рубидия, которые мигрируют за счёт катионных вакансий. Показано, что значение ионной проводимости нитрата рубидия хорошо коррелирует с ориентационной подвижностью анионов NO3-.
- Впервые изучена двойная система (1-х)RbNO3–xRbNO2. Показано, что во всем концентрационном диапазоне существует непрерывный ряд твёрдых растворов, при введении нитрит-анионов высокопроводящая фаза RbNO3–III стабилизируется в области более низких температур. Получены рубидиевые проводники с высокой ионной проводимостью при комнатной температуре.
- Проведены систематические исследования проводимости нитритов щелочных металлов. Показано, что в ряду нитритов увеличение размера катиона приводит к монотонному уменьшению энтальпии образования дефектов и энтальпии миграции катионных вакансий. В результате наиболее высокой ионной проводимостью обладает нитрит цезия.
- Исследована ионная проводимость органической соли [н-Bu4N]BF4. Показано, что у этой соли существует ориентационно-разупорядоченная фаза с примитивной кубической элементарной решеткой, характеризующаяся высокой реориентационной подвижностью молекулярных фрагментов и относительно высокой анионной проводимостью.
- Обнаружена высокая протонная проводимость в гибридных материалах на основе металл-органических координационных полимеров (МОКП) и протонных проводников, введенных в полимерный каркас: солей гидросульфата цезия, сильных кислот и некоторых органических соединений. Показано, что МОКП типа CrMIL-101 устойчив ко всем вводимым сильным кислотам, и гибридные материалы сохраняют кристаллическую структуру полимера в диапазоне температур 60-200 оС, в зависимости от введенной кислотной добавки. Проводимость зависит от парциального давления паров воды и характеризуется низкими энергиями активации, соответствующими переносу протона по механизму Гроттгусса. Значения протонной проводимости (10-1 -10-3 См/см) в области температур 60-150 оС при низкой влажности сопоставимы с характеристиками лучших низкотемпературных протонных проводников.
- Исследованы транспортные свойства композиционных протонных электролитов на основе KH2PO4 и смешанных солей K1-хCsх(H2PO4)1-х(HSO4)х
(с малой мольной долей х) и высокодисперсных диоксидов титана и кремния с различным характером распределения пор и размером пор. Выделены составы, обладающие высокой протонной проводимостью 10-2 См/см, механической прочностью и повышенной устойчивостью при 180-190 °С.
- Исследован эффект гетерогенного допирования ионных солей высокодисперсными оксидными добавками, синтезированными методом термолиза оксалатных прекурсоров. В качестве ионных солей взяты нитриты щелочных металлов, твердые растворы на основе нитрата рубидия, перхлорат лития и соли замещенного аммония. Показано, что во всех случаях введение дисперсных добавок приводит к росту ионной проводимости, обусловленному влиянию переноса вдоль межфазных границ. Выделены наиболее проводящие составы, перспективные для практического использования в электрохимических устройствах.
Температурные зависимости проводимости
композитов (1-x)CFIM-xCrMIL101
различного состава.
Температурные зависимости проводимости
нанокомпозитов LiNO2 – оксид,
полученных с различными оксидами.
-
Методом электрохимического анодирования с in situ эллипсометрическим контролем получены мезопористые пленки оксида алюминия, пропиткой которых можно получить мембраны и слои композиционных твердых электролитов с регулируемым размером пор.
- Установлено, что при термическом разложении солей висмута и серебра, внедренных в мезопористые матрицы SBA-15, возможно получение наночастиц металлов (серебра или висмута) заключенных в поры мезопористого диоксида кремния. Образующиеся при термическом разложении гетеронаноструктуры SBA-15/металлическое серебро и SBA-15/металлический висмут нестабильны, и при отжиге происходит рекристаллизация металлов.
- Исследовано изменение морфологических и структурных характеристик инкапсулированных наночастиц серебра в процессах их обработки газообразными реагентами H2S и HCl. Показано, что рост продуктов реакции - нанокристаллов сульфида серебра или хлорида серебра - происходит на внешней поверхности углеродной оболочки, при этом металл практически полностью уходит из оболочки. Таким образом, углеродные оболочки не являются непреодолимым препятствием для протекания химической реакции образования сульфида серебра.
- Исследованы процессы селективного осаждения серебра на определенных гранях алмаза. Показано, что отжиг смеси порошка металлического серебра с микрокристаллами синтетического алмаза на воздухе или атмосфере кислорода в температурном интервале 600 – 700 оС приводит к формированию гетероструктуры, особенностью которой является селективный рост частиц серебра на кубических {100} гранях алмаза.
Сканирующая электронная микрофотография
селективного осаждения частиц серебра
на гранях {100} кристаллов синтетического алмаза
Результаты прикладных исследований
- Разработаны электродные материалы для суперконденсатора на основе углеродных графеновых материалов. Полученные материалы, нанесенные на алюминиевую подложку, обладают высокими значениями удельной емкости: более 250 Ф/г в 1 М растворе серной кислоты и более 220 Ф/г в 1 М растворе LiClO4 в ацетонитриле. Скорость деградации электрода не превышает 5% от полной емкости после 8000 зарядно-разрядных циклов при величине тока 2 А/г. Разработан лабораторный технологический регламент процесса изготовления экспериментального образца рабочего электрода. Предварительная оценка технико-экономических параметров экспериментального образца электрода показывает, что стоимость затрат на производство рабочего электрода в пересчете на 1 фарад накопленной емкости составляет 1.8 цента, что в 5 раз ниже чем у ведущих зарубежных производителей суперконденсаторов.
- Разработан твердотельный суперконденсатор с твёрдым электролитом 0.7RbNO3–0.3RbNO2, который характеризуется относительно высоким значением потенциала электрохимического разложения (2,5 - 3 В) и более высокими значениями удельной ёмкости. В нем не содержится органических соединений, благодаря чему он устойчив к термическому воздействию (диапазон рабочих температур Траб=150-180 оС).
- Определены оптимальные параметры процесса осаждения прозрачного проводящего плёночного покрытия SnO2-хFх (FTO), позволяющие получить покрытия с сопротивлением ниже 10 Ом и прозрачностью выше 50 %. Показано, что полученные покрытия являются нанокристаллическими, оценочный размер зерен частиц FTO составляет 14 ± 4 нм. Оценены характерные времена стадий, скорость роста (1,3-1,4 нм/с), толщина покрытий и их удельная проводимость. Полученные пленочные материалы могут быть использованы для изготовления гетероструктур для ионики.
Патенты
- Патент РФ № 2541142. Способ изменения исходного и поддержания заданного парциального давления кислорода / Ю.С. Охлупин, П.Г. Сафонов, Д.И. Сковородин, А.С. Аракчеев, Н.Ф. Уваров, И.Н. Сковородин. Опубл. 24.12.2014.
- Патент РФ № 2552357. Электролит для суперконденсатора / Н.Ф. Уваров, Л.И. Брежнева, А.С. Улихин, Ю.Г. Матейшина. Опубл. 10.06.2015.
- Патент РФ № 2579750. Способ получения композиционного электродного материала / С.И. Юсин, Н.Ф. Уваров, А.С. Улихин, Ю.Г. Матейшина. Опубл. 10.04.2016, Бюл. 10.
- Патент РФ № 2592863. Суперконденсатор с неорганическим твёрдым электролитом и углеродными электродами / А.А. Искакова, А.С. Улихин, Н.Ф. Уваров, Ю.Г. Матейшина, Л.И. Брежнева. Опубл. 27.07.2016, Бюл. 21.
Текущие проекты и гранты
Проекты по программам фундаментальных исследований СО РАН
- Проект «Синтез нанокомпозитных материалов и гетероструктур для ионики» (2017-2020 гг.).
Проекты по программам фундаментальных исследований РАН
- Проект «Разработка материалов для электрохимических устройств: топливных элементов, суперконденсаторов, литиевых аккумуляторов» (в рамках Комплексной программы Сибирского отделения РАН № II.2 «Интеграция и развитие», 2016-2017 гг.).
Гранты Российского фонда фундаментальных исследований
- № 14-03-31442-мол_а_2014 «Исследование транспортных свойств и механизмов проводимости в ряду нитритов щелочных металлов» (2014-2016 гг.).
- № 14-03-31697-мол_а_2014 «Среднетемпературные протонные мембраны для топливных элементов» (2014-2016 гг.).
- № 14-03-00510-а «Нанокомпозитные твердые электролиты на основе ориентационно-разупорядоченных фаз» (2014-2016 гг.).
- № 14-08-00736-а «Исследование механизма повышения протонной проводимости в кислых фосфатах цезия – перспективных мембранах для среднетемпературных топливных элементов» (2014-2016 гг.).
- № 15-08-08961-а «Влияние гетеровалентного замещения в CsH2PO4 катионами бария на структурные, термические, транспортные свойства и механизм проводимости» (2015-2017 гг.).
- № 15-33-20061-мол_а_вед «Дизайн металл-углеродных композитов и пористых углеродных материалов в условиях контролируемой графитизации при консолидации порошков» (2015-2017 гг.).
- № 16-33-60188-мол_а_дк «Влияние модификации поверхности нанодисперсных оксидов на транспортные свойства композиционных твердых электролитов» (2016-2018 гг.).
- № 16-33-00109-мол_а «Исследование структуры и морфологии покрытий, нанесенных на поверхность синтетических алмазов, для повышения эффективности спекания с металлическими матрицами» (2016-2018 гг.).
Оборудование
- Электронный микроскоп просвечивающий JEM-200 FX (JEOL, Япония).
- Электронный микроскоп сканирующий TEM1000 (Япония).
- Дифрактометр рентгеновский ДРОН 3М (Россия).
- Дифрактометр рентгеновский ДРОН 407 (Россия).
- Спектрометр мессбауэровский NP255-610 (Венгрия).
- Термоанализатор синхронный Jupiter STA-449 F/1/1 с масс-спектрометрической приставкой QMS403 CF AELOS (NETSCH, Германия).
- Дифференциальный сканирующий калориметр NETSCH (Германия).
- Дифференциальный сканирующий калориметр DSC-550 (США).
- Дилатометр DIL-402.
- Система прецизионных измерений электрических свойств композитов на постоянном токе.
- Cистема для изучения температурной зависимости проводимости и токов деполяризации.
- Измеритель диэлектрических характеристик прецизионный LCR-HP4284A (HEWLETT PACKARD, США).
- Комплекс для прецизионного измерения сопротивления проводящих материалов ИПУ-01 (ООО "ЦИТ", Россия).
- Пресс автоматизированный для горячего прессования.