Функциональные материалы для химических источников тока

Отчет 204 с., 1 кн., 111 рис., 15 табл., 187 источн., 2 прил. (А и Б) КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ, ВОДОРОД, АККУМУЛЯТОР ВОДОРОДА, НАНОСТРУКТУРЫ, ЭЛЕКТРОКАТАЛИЗАТОРЫ, БИОЭЛЕКТРОКАТАЛИЗ, ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ИОНОПРОВОДЯЩИЕ МЕМБРАНЫ Энергетика является одной из самых важных отраслей промышленности для человека и в последние годы в энергетике наблюдается активный переход к возобновляемым источникам энергии, что выводит на новый уровень требования к разработке различных химических источников тока (ХИТ) и накопителей и генераторов энергии на их основе. Для активного развития и внедрения разработок в области ХИТ необходимо проведение исследований широкого спектра материалов, которые могут применяться в их составе – это требует разработок новых электродных материалов с высокой емкостью для накопителей энергии и высокой электрокаталитической активностью для генераторов энергии, электролитов, обладающих высокой ионной проводимостью в широком диапазоне температур и условий работы, широкого спектра композиционных материалов, применяемых в составе ряда компонентов химических источников тока и энергоустановок на их основе, а также материалов для эффективного и безопасного хранения и генерирования водорода для применения в водородной энергетике. В связи с этим, работы в области ХИТ были направлены на разработку и исследование новых материалов. Проведение научных исследований ориентируется на достижение результатов мирового уровня. В соответствии с календарным планом в 2021 г. объектами исследования были перфторированная мембрана Нафион, композитные ионпроводящие мембраны на основе полистирола, каликс[4]арен и его функционализированные производные, композиты на основе сульфированного каликсарена и фосфорновольфрамовой кислоты, а также хелатные комплексы платиновых металлов. В ходе выполнения работы разработана методика in situ модификации мембран Нафион сшитой поливинилсульфоновой кислотой, исследовано влагосодержание и протонная проводимость композитных мембран; методом ИК-спектроскопии изучено прямое фторирование композитных мембран на основе поливинилиденфторида и сверхвысокомолекулярного полиэтилена с внедренным полистиролом, в т.ч. сульфированным; разработана оригинальная методика синтеза «димеров» каликс[4]арена и получен ряд новых, ранее не описанных, «димеров» каликс[4]арена с различной длиной сшивающего алкильного фрагмента; установлена кристаллическая структура октагидрата тетралитиевой соли каликс[4]аренсульфокислоты и изучена ионная проводимость в широком диапазоне влажности; установлен оптимальный состав электролита на основе сульфированного каликс[4]арена и фосфорновольфрамовой кислотой, обеспечивающий низкое время отклика потенциометрических сенсоров на водород и монооксид углерода в присутствии водорода; оптимизирована твердофазная методика синтеза β–дикетонатов платины. Объектами исследования также были электродные материалы на основе композитов графит-графен-кремний. Композиты кремний-восстановленный оксид графена (Si-RGO) получены методами мономолекулярного наслаивания и в ходе гомогенизации смеси кремния и RGO с последующим замораживанием и лиофильной сушкой. Были проведены электрохимические исследования электродных материалов на основе RGO и композитов кремний-углерод, исследованы электрохимические характеристики восстановленного оксида графена, определены влияние состава электролита на стабильность циклирования материала, а также глубины литирования на стабильность циклирования материала. В соответствии с планом работ в 2021 году разработаны материалы и аккумуляторы связанного водорода на основе композитов металлогидридов с металл-графеновыми структурами; гидридные материалы с высоким содержанием обратимого водорода; новые металлогидридные материалы для NiMH-источников тока; металл/наноуглерод-графеновые структуры с удельной поверхностью выше 1000 м2/г; коррозионностойкие порошки диборида ниобия с размером частиц менее 70 нм. Целью работы также была разработка новых электродных материалов для области сенсоров и топливных элементов, в т.ч. микробных. Объектами исследования являлись проводящие полимеры, металлсодержащие электрокатализаторы для топливных элементов с прямым преобразованием спирта и сенсоров (в том числе, биосенсоров) и биотопливные элементы. В результате работ установлено, что для тонких пленок полипиррола возможно расширение области электроактивности на 0.7 В путем потенциодинамической поляризации пленки в неводном электролите. Хорошей обратимостью редокс-реакции из изученных ПОМ-систем на углеродном электроде обладает фосфор-ванадий-молибденовая кислота, имеющая потенциал редокс-перехода в области 0.45В. Обнаружено, что благодаря рН-чувствительности реакции окисления спиртов и их интермедиатов на палладии, а также участию одной общей частицы – гемдиолят иона в механизмах окисления спиртов и альдегидов возможно создание рН-переключаемых нанобиосенсоров на основе наночастиц палладия. Показано, что биоаноды на основе E.coli требуют несколько часов для выхода на рабочие токи независимо от типа медиатора; медиаторы не препятствуют формированию активной биопленки в растворе и не оказывают заметного бактериостатического эффекта. Результаты, полученные в области электроокисления спиртов, готовы для внедрения в метанольные топливные элементы и создания нанобиосенсоров глюкозы и спиртов. Эффективность разработанных материалов и методов обусловлена высокой воспроизводимостью морфологии, характеристик и экономичностью. Впервые методом вращающегося дискового электрода проведено сравнительное исследование электрокаталитической активности в реакции восстановления кислорода для двух различающихся по своей природе Pt-катализаторов. Показано, что сетчатые структуры, образованные нанонитями платины, демонстрируют крайне высокую удельную каталитическую активность в расчёте на количество катализатора на поверхности электрода. В противоположность активность допированного платиной алмаза относительно невелика и практически полностью подавляется при его плазмоэлектрохимической обработке. Предположено, что этот эффект обусловлен растворением в результате плазменного воздействия зёрен Pt, находившихся на поверхности алмазного электрода и имеющих омический контакт с сетью платиновых включений в объёме алмазного компакта.