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

Цель научного исследования – разработка новых сложнооксидных материалов, обладающих комплексом практически важных характеристик и установление основных закономерностей формирования свойств этих материалов. Исследование направлено на решение ряда фундаментальных задач, включая развитие методов синтеза новых соединений, ультрадисперсных, керамических и композиционных материалов на их основе, определение взаимосвязей особенностей строения и свойств полученных новых материалов на основе корреляций состава, структуры, характеристик электронного спектра, атомарных дефектов и функционального отклика, в том числе, раскрытие механизмов электро- и массопереноса, термодинамической стабильности и химической активации, установление иерархии процессов релаксации оптических и магнитных возбуждений, и, в конечном итоге, выявление возможностей практического применения разработанных материалов в устройствах распределённой и автономной энергетики, а также их использования в целях создания эффективных методов и технологий конверсии, аккумулирования и передачи различных видов энергии (химической, тепловой, механической и т.д.). Предлагаемый проект является комплексным и включает экспериментальную и теоретическую части. Модельными объектами проекта являются сложнооксидные гетеродесмические соединения, отличающиеся высокой изомофной емкостью и широкими областями гомогенности. Сочетание экспериментальных и теоретических методов позволит установить взаимосвязь дефектной архитектуры и электронного строения, выявить размерно–энергетическое соответствие структурных элементов с кристаллической решеткой, определить факторы способствующие стабилизации дефектного состояния при вариациях состава и внешних термодинамических параметров, сформулировать кристалло-химические и энергетические критерии достижения высоких функциональных характеристик. В качестве основных методов изучения новых материалов будут применены экспериментальные и теоретические подходы, выработанные в химии твердого тела для исследования строения, термодинамических, электрофизических, транспортных, оптических и магнитных свойств соединений переменного состава. Основные задачи включают: 1. Развитие методов синтеза, фазовая, кристаллохимическая и структурная аттестация новых оксидных соединений, композитных и керамических материалов. Образцы будут получены на основе сочетания традиционных подходов (соосаждение, твердофазный синтез, золь-гель процесс, спрей-пиролиз и т.п.) и методов типа СВС с использованием органо-металлических прекурсоров. Данная стратегия позволяет получать высокодисперсные, в.т.ч. наноразмерные, исключительно реакционноспособные порошки, достаточно просто управлять гранулометрией материала, что совершенно необходимо для таких приложений, как, например, твердотельные химические источники тока, лазерная керамики, токонесущая электрокерамика и др., и, что самое существенное, создаёт исключительные возможности для достижения предельной растворимости допантов в решётке матричного оксида, которую трудно достичь другими методами. Для нанесения материалов в виде покрытий предлагается применение таких методов, как спрей-пиролиз, электронная абляция и аэрозольно–ударное компактирование. Комплексная аттестация материалов будет выполнена с применением методов РФА, ДТА, СЭМ, ИК, КР, ЭПР, ФЛ, РФЭС, ЯМР, изучения удельной поверхности, пористости и гранулометрии, вольтамперометрии и магнитных измерений. Всесторонняя аттестация полученных материалов является необходимым пререквизитом для получения надёжных данных на дальнейших этапах исследования. 2. Исследование кристаллического строения новых оксидных соединений. Для исследований будут широко применяться методы порошковой рентгеновской и нейтронной дифракции в сочетании с полнопрофильным анализом полученных данных. Будет получен полный набор структурных параметров (координаты атомов, длины и углы связей, числа заполнения, тепловые факторы), определена их зависимость от состава. Для изучения мезоскопических дефектов, зернограничных и межфазных интерфейсов в сложных оксидных соединениях и керамических композитах планируется привлечение методов электронной микроскопии, электронной дифракции и локально-чувствительные спектральные методы. Данные об особенностях дальнего порядка и локальных неоднородностей необходимы для моделирования электронной структуры и развития модельных представлений для описания взаимосвязей кристаллохимического строения и функциональных свойств материалов. 3. Изучение параметров ионного и электронного транспорта методами измерения полного импеданса, электропроводности, термоэдс и чисел переноса с привлечением данных кислородной нестехиометрии. Определение кислородной нестехиометрии, как функции параметров газового окружения. Сопоставление данных транспортных измерений с результатами статистико-термодинамических расчётов и моделирования электронного спектра с целью определения особенностей структуры соединений, влияющих на стабильность кристаллической структуры и равновесие дефектов, механические свойства, электрохимическую активность, ионный и электронный транспорт. Результаты, полученные при решении задач данного раздела, необходимы для разработки твердотельных устройств и методов конверсии химической и тепловой энергии в электричество. 4. Изучение спектральных, оптических, магнитных и каталитических характеристик. Особое внимание будет уделено решению проблем конверсии УФ и ИК радиации в излучение видимого диапазона, управления цветностью материалов и поиску возможностей сочетания целевых оптических свойств в видимом и ИК диапазоне с аномальным рассеянием/поглощением радиоволнового излучения в СВЧ и терагерцовом диапазонах, созданию магнитоуправляемых, фото- и термоактивируемых каталитических редокс систем сплиттинга углеводородов, воды и водяного пара. Развитие проблематики раздела позволит предложить новые решения в области создания недорогих, устойчивых к внешним воздействиям покровных материалов, высокоэффективных люминофоров и катализаторов.