Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
14.Z50.31.0001
Период реализации проекта
2014-2018
Заведующий лабораторией

По данным на 01.11.2022

24
Количество специалистов
193
научных публикаций
30
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Совместно с российскими учеными профессор Панайотис реализует проект по получению твердооксидных электрохимических ячеек с несущим и тонкослойным протонным электролитом для электрохимических устройств. Одно из главных преимуществ электрохимических устройств по сравнению с традиционными источниками тока - высокий КПД, поскольку в них энергия топлива напрямую превращается в электрическую.

Название проекта: Разработка твердооксидных электрохимических ячеек с несущим и тонкослойным протонным электролитом для электрохимических устройств

Цели и задачи

Направления исследований: Научные основы дизайна новых протонпроводящих материалов с заданными свойствами и разработки твердооксидных электрохимических устройств различного назначения на их основе

Цель проекта: Разработка основ и технологий для коммерчески приемлемых электрохимических устройств на основе несущих и тонкослойных протонных электролитов для газового анализа, а также для получения электричества и водорода

Практическое значение исследования
Научные результаты:

  1. Исследованы процессы электро- и массопереноса, реализуемые в ТОТЭ на основе протонпроводящих материалов в различных режимах (с постоянным или меняющимся составом газовой атмосферы вдоль электролитной мембраны). В проведенных расчетах проведен учет влияния дефектной структуры материалов, напряжения во внешней цепи, распределения парциальных токов и локальной электронейтральности на распределение протонной проводимости в мембране, среднюю протонную проводимость, а также напряжение разомкнутой цепи. Расчеты представлены для случаев с униполярной протонной и смешанной ионно-электронной проводимостью.
  2. Синтезированы и исследованы свойства боросиликатных стеклогерметиков. Их совместимость с электролитами проверена методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и оценкой адгезионных свойств.
  3. Синтезированы электродные материалов для их применения в ТОТЭ с целью замены дорогостоящих платиновых электродов. Проведено исследование их структурных, термических, электрических свойств, а также совместимость с электролитами на основе церата и цирконата бария. Подобраны наиболее оптимальные композиции.
  4. Проведена оптимизация электролитных материалов по таким параметрам, как стабильность, ионная проводимость и термическое расширение. Выполнены исследования по выявлению корреляции между природой акцепторного допанта, а также концентрацией спекающей добавки и изменением перечисленных выше свойств. Получены новые электролиты, которые составили основу ячеек водородного сенсора и обратимого твердооксидного топливного элемента. Получены принципиально новые материалы на основе церато-цирконата бария, допированного акцепторными примесями, и изучены их функциональные свойства, включая микроструктурные, термические и транспортные характеристики. Установлено, что Dy-содержащие системы характеризуются наилучшими электрическими характеристиками как по объему керамики, так и по ее границам зерен. Исследован ряд состава BaCe0.8–xZrxDy0.2O3–δ и определены составы материалов, пригодных для электролизеров для получения водорода или восстановления СО2 до СО.
  5. Разработаны электрохимические ячейки планарного типа для проверки возможности электрохимического восстановления СО2 до СО с помощью электролизера-реактора на основе протонпроводящих электролитов. Ячейка планарного типа была получена с применением метода совместной прокатки пленок и состояла из выбранного электролита толщиной 50 мкм.
  6. Исследованы особенности нанесения защитных покрытий на интерконнектор Croffer с целью улучшения его стабилизационных характеристик в условиях испытания стеков ТОТЭ и ТОЭ.
  7. В рамках выполнения работ по этому направлению проведены всесторонние исследования, связанные с разработкой новых конструкций электрохимических устройств (твердооксидных сенсоров), новых многослойных элементов (электролит/электродных гетероструктур, композиционных электродов) для последующих электрохимических приложений, изучением электродных процессов, протекающих в электрохимических устройствах, и процессов кислородного массопереноса через границу раздела фаз «твердое тело/газ». Наряду с прикладными разработками выполнены теоретические исследования, которые были посвящены моделированию электро-, массопереноса и исследованию деградационных процессов в электрохимических устройствах.

Внедрение результатов исследования:

  • В лаборатории разработан и изготовлен экспериментальный образец датчика содержания кислорода, предназначенный для определения выхода по току электролизера «металлизации» – одного из аппаратов пирохимического передела переработки отработанного ядерного топлива (проектное направление Росатома «Прорыв»).
  • Индустриальным партнером института – малым инновационным предприятием ООО «ЭлектроХимГенерация» на основе научных результатов, созданных в лаборатории, разработаны и изготовлены экспериментальные образцы (макеты) установок очистки инертных газов от кислорода. Эти установки предназначены для очистки от кислорода аргона, используемого для обеспечения работы аппаратов пирохимического передела переработки отработанного ядерного топлива (проектное направление Росатома «Прорыв»).
  • Разработаны технологические инструкции для изготовления керамических изделий методом плазменного напыления и технические условия «Изделия из диоксида циркония плотные плазменнонапыленные».

Образование и переподготовка кадров:

Защиты: 4 кандидатские диссертации, 2 докторские диссертации.

Разработаны 2 учебно-методических пособия.

Чтение курсов: 

  • Вариативный курс по программе высшего образования – программа подготовки научных и научно-педагогических кадров в аспирантуре «Технология публикации статей в высокорейтинговых журналах», Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН.
  • Лекционный курс «Общая и бионеорганическая химия», Уральский федеральный университет.
  • Лекционный курс «История и методология химии», Уральский федеральный университет.
  • Лабораторные занятия «Общая химия», Уральский федеральный университет.
  • Лабораторные занятия «Химия s- и p-элементов», Уральский федеральный университет.

Ежегодно в лаборатории проводятся стажировки студентов (не менее 3 чел.) из Химико-технологического института УрФУ им. Б.Н. Ельцина.

Сотрудничество:
 

Внутрироссийское сотрудничество:

  • Институт химической физики имени Н. Н. Семёнова РАН: проведение совместных исследований в области разработки новых протонных проводников.

Международное сотрудничество:

  • WA School of Mines: Minerals, Energy and Chemical Engineering, Curtin University, Australia: Проведение совместных исследований в области твердооксидных топливных элементов.
  • Aveiro Institute of Materials, Department of Materials and Ceramic Engineering, University of Aveiro, Portugal: проведение совместных исследований в области ионики и химии твердого тела.
  • Institute of Materials for Energy and Environment, College of Materials Science and Engineering, Qingdao University, PR China: проведение совместных исследований в области протонпроводящих материалов и устройств на их основе.
  • College of Materials Science and Engineering, Shenzhen University, China: проведение совместных исследований в области протонпроводящих материалов и устройств на их основе.

Скрыть Показать полностью
I. Zvonareva, X.-Z. Fu, D. Medvedev, Z. Shao.
Electrochemistry and energy conversion features of protonic ceramic cells with mixed ionic-electronic electrolytes. Energy & Environmental Science. 2022. V. 15, № 2. P. 439–465. 10.1039/D1EE03109K
E. Gorbova, F. Tzorbatzoglou, C. Molochas, D. Chloros, A. Demin, P. Tsiakaras.
Fundamentals and principles of solid-state electrochemical sensors for high temperature gas detection. Catalysts. 2022. V.12, № 1. 10.3390/catal12010001
A.P. Tarutin, J.G. Lyagaeva, D.A. Medvedev, L. Bi, A.A. Yaremchenko.
Recent advances in layered Ln2NiO4+δ nickelates: fundamentals and prospects for their applications in protonic ceramic fuel and electrolysis cells. Journal of Materials Chemistry A. 2021. V. 9. № 1. P. 154–195. 10.1039/D0TA08132A
A. Tarutin, A. Kasyanova, J. Lyagaeva, G. Vdovin, D. Medvedev
Towards high-performance tubular-type protonic ceramic electrolysis cells with all-Ni-based functional electrodes. Journal of Energy Chemistry. 2020. V. 40. P. 65–74. 10.1016/j.jechem.2019.02.014
E. Pikalova, A. Kolchugin, M. Koroleva, G. Vdovin, A. Farlenkov, D. Medvedev
Functionality of an oxygen Ca3Co4O9+δ electrode for reversible solid oxide electrochemical cells based on proton-conducting electrolytes. Journal of Power Sources 2019. V. 438. No. 226996. 10.1016/j.jpowsour.2019.226996
N. Danilov, J. Lyagaeva, G. Vdovin, D. Medvedev
Multifactor performance analysis of reversible solid oxide cells based on proton-conducting electrolytes. Applied Energy. 2019. V. 237. P. 924–934. 10.1016/j.apenergy.2019.01.054
N.A. Danilov, J.G. Lyagaeva, D.A. Medvedev, A.K. Demin, P. Tsiakaras.
Transport properties of highly dense proton-conducting BaCe0.8–xZrxDy0.2O3–δ materials in low- and high-temperature ranges. Electrochimica Acta. 2018. V. 284. P. 551–559. 10.1016/j.electacta.2018.07.179
N. Danilov, J. Lyagaeva, G. Vdovin, D. Medvedev, A. Demin, P. Tsiakaras.
An electrochemical approach for analyzing electrolyte transport properties and their effect on protonic ceramic fuel cell performance. ACS Applied Materials & Interfaces. 2017. V. 9, № 32. P. 26874–26884. 10.1021/acsami.7b07472
J. Lyagaeva, N. Danilov, G. Vdovin, J. Bu, D. Medvedev, A. Demin, P. Tsiakaras
A new Dy-doped BaCeO3–BaZrO3 proton-conducting material as a promising electrolyte for reversible solid oxide fuel cells. Journal of Materials Chemistry A. 2016. V. 4, № 40. P. 15390–15399. 10.1039/C6TA06414K
D.A. Medvedev, J.G. Lyagaeva, E.V. Gorbova, A.K. Demin, P. Tsiakaras
Advanced materials for SOFC application: strategies for the development of highly conductive and stable solid oxide proton electrolytes. Progress in Materials Science. 2016. V. 75. P. 38–79. 10.1016/j.pmatsci.2015.08.001
Фотоальбомы
Вторник , 03.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория металлогидридных энерготехнологий

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН - (ФИЦ ПХФ и МХ)

Энергетика и рациональное природопользование

Черноголовка

Лотоцкий Михаил Владимирович

Украина, Южная Африка

2022-2024

Лаборатория рециклинга отходов твердотопливной энергетики

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М И. Платова - (ЮРГПУ (НПИ))

Энергетика и рациональное природопользование

Новочеркасск

Чаудхари Сандип

Индия

2022-2024

Лаборатория управления теплообменом при фазовых и химических превращениях

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН - (ИТ СО РАН)

Энергетика и рациональное природопользование

Новосибирск

Сунден Бенгт Ааке

Швеция

2021-2023