Научные основы создания новых материалов для энергоэффективных технологий и распределённой энергетики

Оксиды, являясь наиболее распространёнными и устойчивыми материалами в природных условиях, проявляют исключительное многообразие электрических, магнитных, оптических и других свойств, что открывает перспективы создания надёжных, долговечных полностью твердотельных устройств хранения, преобразования и коммутации энергии. Прогресс в данном направлении невозможен без разработки и совершенствования материалов, обеспечивающих достижение коммерчески привлекательных показателей удельной плотности хранения, преобразования и передачи энергии при высоких эксплуатационных показателях. В рамках исследовательской тематики, основные усилия за отчетный период были направлены на синтез и аттестацию новых неорганических соединений, компьютерное моделирование электронной структуры, дизайн и экспериментальное изучение материалов с заданными характеристиками. В ходе работы решались задачи выявления взаимосвязей строения и свойств, установления корреляций состава, структуры и функционального отклика. Анализ экспериментальных данных позволил обнаружить и интерпретировать ряд новых эффектов, способствующих более полному пониманию атомистического строения, структурных особенностей на мезоскопическом уровне и макроскопических свойств твердооксидных соединений и композитов. Решение исследовательских задач позволило установить основные механизмы химической активности, ионного и электронного переноса, процессов возбуждения и релаксации электромагнитной энергии, сделать экспериментальный задел в области создания новых материалов и определить возможные области их практического применения. Реализация целей и задач проекта основана на комплексном подходе при синтезе и исследовании свойств новых материалов. Состав и реакционную активность продуктов синтеза задавали как выбором химической формы и соотношением исходных компонентов, так и параметрами пост-синтетической обработки. Продукты синтеза анализировали с использованием метода порошковой рентгеновской дифракции. Уточнялась кристаллическая структура, т.е. положение атомов в решетке и распределение катионов по позициям, а также длины химических связей. Структурные исследования проводили с использованием полнопрофильного анализа по Ритвельду (пакет GSAS). При компьютерном моделировании особенностей структуры и электронного спектра использовались первопринципные методы теории функционала электронной плотности (пакеты VASP 5.3, Quantum Espresso 6.8). Ряд структурных данных получен с помощью ИК-спектроскопии (Spectrum One; Nicolet 6700, FT-IR). Морфологические особенности строения полученных образцов исследовали методом сканирующей электронной микроскопии (JEOL JSM 6390 LA с энерго-дисперсионным анализатором). Термическая устойчивость соединений исследовалась при помощи термоанализаторов Setsys Evolution и TG-DTA-92 (Setaram). Методы изучения нестехиметрии и электротранспортных свойств сложных оксидов в широком диапазоне вариаций температуры и давлений кислорода основаны на применении ион-проводящих и сенсорных свойств твердых кислородных электролитов. Это позволяет проследить изменения свойств синтезированных соединений, получать информацию о дефектности, характере обменных взаимодействий и т.д. Области практического применения полученных результатов включают процессы окислительной переработки и утилизации углеродистого и углеводородного сырья, химические источники тока и топливные элементы, оптические, магнитные и химические датчики и сенсоры.