Тематика научной группы

Основные направления исследований

Современные подходы к синтезу прекурсоров, керамик и новые твёрдые электролиты на их основе

В настоящее время во всём мире активно ведутся разработки такого класса энергоэффективных и экологически безопасных электрохимических устройств, как топливные элементы (ТЭ). Такие устройства позволяют напрямую переводить энергию химических связей топлива (чаще всего водорода) в электрическую энергию с высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Это оказывается возможным за счёт разделённых в пространстве электрохимических реакций окисления топлива/восстановления окислителя и возникновения электрического тока, который можно направить на полезную нагрузку. Принципиально любой топливный элемент состоит из трёх основных частей (см. рисунок):

• катода, на котором происходит реакция восстановления окислителя;
• анода, на котором происходит реакция окисления топлива;
• твёрдого электролита, с помощью которого происходит перенос ионов и замыкание цепи.

Принципиальная схема топливного элемента.

По сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания, ТЭ обладают рядом ключевых преимуществ: высоким КПД (до 70%), большей удельной мощностью, возможностью использования различного топлива (водорода, метанола, метана и т.д.) и окислителей (воздух, чистый кислород и т.д.). Однако, такие устройства находят только ограниченное применение из-за ряда имеющихся ограничений. Таким образом, возможность широкой практической применимости ТЭ напрямую определяется разработкой новых материалов с улучшенными свойствами для твердых электролитов, в первую очередь проводимостью, а также новыми подходами к их синтезу.

---

Высокотемпературные кислородные проводники на основе оксидов d- и f- элементов

В качестве твёрдых электролитов для топливных элементов, сенсоров полноты сгорания топлива, кислородных насосов используется керамика на основе оксидов d- и f- элементов (циркония, церия и др.). Высокая проводимость в таких системах достигается при 800–1000 °С, что обусловлено структурными особенностями таких оксидов. В задачи группы входит поиск новых материалов, обладающих повышенной проводимостью, фазовой, химической устойчивостью, а также поиск новых методов синтеза, позволяющих получать структурированные наноразмерные системы и, таким образом, добиться улучшения свойств твердых электролитов.

Основные направления исследований:

• исследование бинарных и тройных систем на основе ZrO₂, CeO₂ с добавками CaO, Y₂O₃, TiO₂ и т.д.
• новые методы получения порошков-прекурсоров оксидной керамики (золь-гель синтез, гидротермальный и сольвотермальный синтез, цитратный синтез, лиофильная сушка);
• современные методы спекания оксидной керамики: искровое плазменное спекание, спекание в защитной среде(гарнисаже), флеш-спекание и др.;
• создание композитных оксидных материалов с добавками графена.

---

Новые низко- и среднетемпературные протонные проводники

Среди топливных элементов необходимо отдельно выделить низко- и среднетемпературные топливные элементы с протон-проводящими мембранами, а также когенеративные установки (химические реакторы с протон-проводящими мембранами), позволяющими электрохимическое удаление водорода/протона из системы и сдвиг равновесия в сторону более высокого выхода продукта (водорода). Такие установки также могут работать в режиме топливного элемента, когда происходит одновременное получение водорода из водных/газовых сред и реакция его окисления. Для создания топливных элементов с протон-проводящими мембранами используют коммерчески выпускаемые твердополимерные мембраны типа Нафион (Nafion, фирма Dupont), которые обладают достаточной проводимостью и высокой химической стойкостью вплоть до 200 °C, но при этом характеризуются низкой механической стабильностью. Также в качестве электролита могут выступать концентрированные щелочи или кислоты, или кристаллические неорганические материалы, обладающие достаточной протонной проводимостью как слоистые перовскиты, кислые соли, суперпроводники типа NASICON и т.д. Однако несмотря на несомненную перспективность их широкого внедрения, ресурс работы таких топливных элементов довольно низкий. Это связано с рядом серьезных проблем, таких как высокие омические потери и поляризация; ограниченный ресурс работы, что обусловлено относительно невысокой фазовой и механической стабильностью имеющихся протонных проводников, реакциями на фазовых границах, а также механической деградацией протон-проводящих мембран при изменении влажности; необходимостью использования водородного топлива высокой чистоты; повышением плотности тока.

Основные направления исследований:

• получение и исследование новых твердотельных протонных проводников на основе полисурьмяной кислоты (ПСК);
• исследование протонной проводимости и транспортных свойств в керамиках на основе замещенного бета-глинозёма.

---

Композитные материалы на основе металлов с добавками графена

С момента открытия двумерной аллотропной модификации углерода — графена, начались попытки создания различных композитных металлических, полимерных и керамических материалов. Это обусловлено уникальными механическими и электрическими характеристиками графена: рекордное значение модуля Юнга в 1000 ГПа, подвижность носителей заряда в 15000 см²/B∙c, а также нулевая ширина запрещённой зоны и т.д. Введение графена может значительно улучшить свойства металлической матрицы и, таким образом, привести к появлению металлических материалов нового поколения, проявляющих одновременно высокую прочность и пластичность. При этом большое влияние оказывает не только непосредственное количество введённого модификатора, но и свойства выбранного графенового производного, дисперсность металлического порошка, выбранный способ перемешивания компонентов, компактификации и особенно выбранный метод спекания.

Основные направления исследований:

• создание композитов на основе никеля, меди и алюминия с добавками различных производных графена;
• изучение зависимости фазообразования, структуры, механических свойств полученных композитов от типа добавки, количества введённого графена и т.д.
• оптимизация методик синтеза и спекания композитов «металл-графен» с металлической матрицей.

Научные проекты, гранты и патенты группы

1. Конкурс на лучшие научные проекты РФФИ междисциплинарных фундаментальных исследований по теме «Разработка высокопрочных композитов «нанометалл – крупнозернистый металл – графен», 2018–2021 (руководитель А.Г.Шейнейрман, СПбГУ)
2. МК-3798.2021.1.3 Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых «Новые протон-проводящие мембраны для повышения эффективности водородной энергетики», срок 2021–2022 (Руководитель Курапова О.Ю.)
3. МК-2703.2019.3 Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых «Разработка новых подходов к получению твердых электролитов для электрохимических источников энергии», срок 2019–2020 (Руководитель Курапова О.Ю.)
4. Организация и проведение ноябрьской химической смены в образовательном центре Сириус (г. Сочи) 2018–2021 годы sochisirius.ru/obuchenie/nauka/smena1029/5245

Проекты

• «Исследование роста плёнок различной морфологии на поверхности титана для биомедицинских применений»;
• «Разделение ионов редкоземельных элементов методами ионно-обменной хроматографии».

Оба проекта выполнены в рамках Ноябрьской химической образовательной программы образовательного центра Сириус, г. Сочи в 2018–2021 годах.

Патенты

• Патент RU № 2600400 О.Ю. Курапова, В.Г. Конаков., С.Н. Голубев «Способ получения наноразмерного диоксида циркония» от 28.09.2016.

Избранные публикации

1. Glukharev, A., Glumov, O., Smirnov, I., Boltynjuk, E., Kurapova, O., Konakov, V. Phase formation and the electrical properties of YSZ/rGO composite ceramics sintered using silicon carbide powder bed (2022) Applied Sciences (Switzerland), 12 (1), статья № 190. DOI: 10.3390/app12010190
2. Kurapova, O.Yu., Faia, P.M., Zaripov, A.A., Pazheltsev, V.V., Glukharev, A.A., Konakov, V.G. Electrochemical characterization of novel polyantimonic-acid-based proton conductors for low-and intermediate-temperature fuel cells (2021) Applied Sciences (Switzerland), 11 (24), статья № 11877 DOI: 10.3390/app112411877
3. Glukharev, A., Glumov, O., Temnikova, M., Shamshirgar, A.S., Kurapova, O., Hussainova, I., Konakov, V. YSZ-rGO composite ceramics by spark plasma sintering: The relation between thermal evolution of conductivity, microstructure and phase stability (2021) Electrochimica Acta, 367, статья № 137533. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.137533
4. Kurapova, O.Y., Glukharev, A.G., Glumov, O.V., Kurapov, M.Y., Boltynjuk, E.V., Konakov, V.G. Structure and electrical properties of YSZ-rGO composites and YSZ ceramics, obtained from composite powder (2019) Electrochimica Acta, 320, статья № 134573, DOI: 10.1016/j.electacta.2019.134573
5. Glukharev, A.G., Konakov, V.G. Synthesis and properties of zirconia-graphene composite ceramics: A brief review (2018) Reviews on Advanced Materials Science, 56 (1), pp. 124–138. DOI: 10.1515/rams-2018-0041
6. Kurapova, O.Y., Grashchenko, A.S., Archakov, I.Y., Golubev, S.N., Konakov, V.G. The microstructure and mechanical properties of twinned copper-bismuth films obtained by DC electrodeposition (2021) Journal of Alloys and Compounds, 862, статья № 158007, DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158007
7. Kurapova, O.Y., Shugurov, S.M., Vasil'eva, E.A., Savelev, D.A., Konakov, V.G., Lopatin, S.I. Thermal prehistory, structure and high-temperature thermodynamic properties of Y₂O₃-CeO₂ and Y₂O₃-ZrO₂-CeO₂ solid solutions (2021) Ceramics International, 47 (8), pp. 11072–11079. DOI: 10.1016/j.ceramint.2020.12.230
8. Konakov, V.G., Kurapova, O.Y., Archakov, I.Y. Improvement of Copper–Graphene Composites Pro­perties due to the Lubricating Effect of Graphene in the Powder Metallurgy Fabrication Process (2020) Metals and Materials International, 26 (12), pp. 1899–1907. DOI: 10.1007/s12540-019-00456-3
9. Kurapova, O.Y., Lomakin, I.V., Sergeev, S.N., Solovyeva, E.N., Zhilyaev, A.P., Archakov, I.Y., Konakov, V.G. Fabrication of nickel-graphene composites with superior hardness (2020) Journal of Alloys and Compounds, 835, статья № 155463. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155463
10. Kurapova, O.Y., Shugurov, S.M., Vasil'eva, E.A., Konakov, V.G., Lopatin, S.I. Vaporization features of CeO2–ZrO2 solid solutions at high temperature Journal of Alloys and Compounds, 776, pp. 194–201. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.10.265

Глава в книге

• Olga Yu. Kurapova, Ivan Yu. Archakov and V. G. Konakov Fabrication and properties of copper-graphene composites (2019) In book: Handbook of graphene: composites Publisher: John Wiley & Sons Ed. Cengiz Ozkan