Развитие научных принципов создания функциональных материалов для преобразования и накопления энергии на основе сложных оксидов

Объектами исследования являются многокомпонентные оксидные соединения, содержащие ионы переходных металлов. Цель работы – синтез и структурная аттестация упорядоченных оксидов LnBaMe’2–xMe’’xO6 δ (Me’=Co, Mn; Me’’=3d элементы) и LaBO3–δ со смешанным типом проводимости, исследование физикохимических свойств, характеризующих высокотемпературное равновесие и электрохимический отклик в условиях вариации химического состава окружающей среды, а также разработка теоретических подходов к описанию образования и взаимодействия дефектов, включая протонирование анионных центров. Мультикатионный перовскит LaMn0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2O3–δ и его четырехкатионные производные были исследованы в качестве перспективных катодных материалов для ТОТЭ. Было обнаружено, что содержание B-подрешетки влияет на кристаллическую структуру, расширение и выделение кислорода с температурой, а также на электрические свойства. Оксиды демонстрируют преимущественно полупроводниковое поведение p-типа с энергией активации в диапазоне от 0,04 до 0,26 эВ. Оптимальное соединение LaFe0.25Co0.25Ni0.25Cu0.25O3–δ было выбрано на основе его максимальной электропроводности, которая достигает почти 500 См/см при 750 °C. Симметричная ячейка на поддерживающем электролите LSGM имеет поляризационное сопротивление 0,12 Ом см2 при 800 °C и энергию активации 152 кДж/моль. Полученная характеристика оказалась лучше, чем у пятикатионного перовскита, и ставит под сомнение преимущества применения концепции высокоэнтропийных материалов для разработки твердооксидных топливных элементов. Были подробно изучены особенности фазообразования и формирования упорядоченной перовскитоподобной структур с энергетически неэквивалентными кислородными вакансиями в соединениях с общей формулой LnBaCo2O6–δ, где в качестве Ln использовали линейку всех доступных лантаноидов. Оценку проводили путем сопоставления результатов, полученных из первопринципных расчетов, а экспериментальных подходов и термодинамического подхода с расчетом температуры Дебая. Таким образом был продемонстрирован эффективный прием для моделирования важнейших функциональных свойств материалов, позволяющий получать согласованные результаты. Область практического применения – электрохимия, энергетика.