Дизайн, синтез и исследование свойств новых материалов для преобразования/хранения энергии, распределенной энергетики и энергоэффективных технологий

Многокомпонентные (сложные) оксиды образуются в результате соединения нескольких элементов, одним из которых является кислород. Эти, как правило, весьма устойчивые, соединения проявляют многообразие электрических, магнитных, оптических и других характеристик, что открывает возможности создания полностью оксидных, надёжных, долговечных твердотельных устройств хранения, преобразования и коммутации энергии. Развитие данного направления тесно связано с фундаментальными исследованиями в области разработки и совершенствования оксидных материалов, обеспечивающих достижение привлекательных показателей удельной плотности хранения, преобразования и передачи энергии при высоких эксплуатационных показателях. В рамках исследовательской тематики в ходе работ 2024 г. основные усилия были направлены на синтез и аттестацию новых неорганических соединений, компьютерное моделирование электронной структуры, дизайн и экспериментальное изучение материалов с заданными характеристиками. В процессе исследований особое внимание уделялось выявлению 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 и свойств твердооксидных соединений и композитов. Решение поставленных в данном исследовании задач позволило установить основные механизмы химической активности, ионного и электронного переноса, процессов возбуждения и релаксации электромагнитной энергии и определить возможные области их практического применения. Реализация целей и задач исследования основана на комплексном подходе при синтезе и изучении 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. При компьютерном моделировании особенностей структуры и электронного спектра использовались первопринципные методы теории функционала электронной плотности (пакеты VASP 5.3, Quantum Espresso 6.8, приближение когерентных фаз). 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 энергодисперсионным анализатором). Термические характеристики 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, получить информацию о дефектности, характере обменных взаимодействий и т.д. Области практического применения полученных результатов включают процессы окислительной переработки и утилизации углеродистого и углеводородного сырья, получения чистых защитных газов, термохимического хранения энергии, химические источники тока и топливные элементы, оптические, магнитные и химические датчики и сенсоры. Исследования и разработки в области создания элементной базы хранения, преобразования и передачи энергии на основе твердотельных оксидных систем соответствуют направлению приоритетного развития науки, технологий и техники «№8. Энергетика, энергосбережение, ядерная энергетика». Фундаментальные результаты, полученные в рамках настоящей темы, необходимы для развития ряда критических технологий, в том числе «№ 15. Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику», «№ 17. Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов» и «№ 27. Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе» в рамках технологической платформы «Перспективные технологии возобновляемой энергетики».