Электрофоретическое осаждение композитных и многослойных структур с применением материалов твердооксидных топливных элементов: фундаментальные проблемы, решения, практическое применение

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-23-00066

НазваниеЭлектрофоретическое осаждение композитных и многослойных структур с применением материалов твердооксидных топливных элементов: фундаментальные проблемы, решения, практическое применение

Руководитель Калинина Елена Григорьевна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова Твердооксидный топливный элемент, электрофоретическое осаждение, испарение лазером, химические методы синтеза порошков, наноразмерные материалы, суспензии порошков, композитное покрытие, многослойное покрытие, пористый многослойный электрод

Код ГРНТИ31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предложенный проект направлен на поиск решений фундаментальных проблем создания тонкопленочных гетероструктур (композитных и многослойных) твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) с применением метода электрофоретического осаждения (ЭФО). Преимущества метода ЭФО состоят в том, что он не требует дорогостоящего оборудования и обладает высокой скоростью осаждения, которое может осуществляться на подложках различного состава, пористости, размера и формы. Данный метод применим к формированию тонкопленочных электролитов в ТОТЭ любого дизайна – планарной и трубчатой, сложной формы, на несущем аноде или катоде. Новизна предлагаемого проекта заключается в определении фундаментальных основ формирования пленочных функциональных слоев ТОТЭ из материалов различного состава с отличающимися свойствами проводимости, спекаемости и термомеханическими свойствами, исследовании создания композитных пленок электролита на несущих подложках ТОТЭ. Развитие недорогой технологии формирования ТОТЭ является актуальным и практически значимым как с композитными электролитами, так и с многослойными электролитами, содержащими блокирующий слой (ионный или протонный проводник) и смешанный проводник с ионной и электронной проводимостью (MIEC), данное направление интенсивно развивается в последнее время. В ходе выполнения проекта будут изучены и выделены наиболее эффективные методы создания проводящего слоя для проведения ЭФО на несущей подложке, исследованы кинетические свойства суспензий на основе электролитов различного дисперсного состава и определены условия их стабилизации, установлены условия осаждения и спекания многослойных пленок с учетом различий термомеханических свойств материалов. Особое внимание будет уделяться исследованию влияния вида, количества и способа введения спекающих добавок на кинетику спекания электролитных слоев. Будут разработаны новые подходы к получению стабильных суспензий для проведения ЭФО из композитных материалов (электролит-MIEC, электролит-инертный материал) и формированию полуэлемента ТОТЭ, состоящего из пористого анода и тонкопленочного твердого композитного электролита. Проект направлен на поиск оптимального дизайна тонкопленочной структуры ТОТЭ, формируемой методом электрофоретического осаждения, который обеспечит согласованность слоев при их получении, а также последующую прочность и устойчивость в эксплуатационных условиях. Реализация проекта создаст задел для создания недорогой и воспроизводимой коллоидной технологии формирования ТОТЭ, имеющей значительные преимущества при промышленном освоении и создании импортозамещающих технологий альтернативной энергетики в РФ. Результаты по исследованию кинетических свойств и определение условий стабилизации суспензий на основе материалов электролитов со спекающими добавками и композитных материалов, по формированию пленок на непроводящих подложках и получения многослойных структур на основе материалов с различными термомеханическими свойствами являются новыми, имеют большое фундаментальное значение и значимы на мировом уровне для развития технологии ЭФО в целом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Калинина Е.Г., Шубин К.С., Пикалова Е.Ю. Electrophoretic Deposition and Characterization of the Doped BaCeO3 Barrier Layers on a Supporting Ce0.8Sm0.2O1.9 Solid‐State Electrolyte Membranes, V. 12, № 3, PP. 308 (год публикации - 2022)
10.3390/membranes12030308

2. Калинина Е.Г. Electrokinetic Properties of Nanopowder Suspensions Based on Aluminum Oxide, Obtained via the Electric Explosion of a Wire Russian Journal of Physical Chemistry A, V. 96, № 9, с. 2032 - 2037 (год публикации - 2022)
10.1134/S0036024422090163

3. Русакова Д.С., Павлова И.А., Пикалова Е.Ю., Калинина Е.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СУСПЕНЗИИ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ ПРИ МОДИФИКАЦИИ ОКСИДОМ КОБАЛЬТА Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тез. докл. XXXII Рос. молодеж. науч. конф. с международ. участием, посвящ. 110-летию со дня рожд. проф. А. А. Тагер, Екатеринбург, 19–22 апр. 2022 г.– Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та., стр. 187 (год публикации - 2022)

4. Русакова Д.С., Калинина Е.Г. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тез. докл. XXXII Рос. молодеж. науч. конф. с международ. участием, посвящ. 110-летию со дня рожд. проф. А. А. Тагер, Екатеринбург, 19–22 апр. 2022 г.– Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та., стр. 201 (год публикации - 2022)

5. Калинина Е.Г., Русакова Д.С., Павлова И.А., Ермакова Л.В., Пикалова Е.Ю. КОМПОЗИТНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТНЫЕ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ ЦЕРАТА БАРИЯ И ДИОКСИДА ЦЕРИЯ С МОДИФИЦИРУЮЩИМИ ДОБАВКАМИ ОКСИДОВ CoO, TiO2 и Al2O3 Электрохимия в распределенной и атомной энергетике: сб. трудов Первого Всероссийского семинара, Нальчик, 18-22 сентября, 2022 г. - Екатеринбург: Издательский Дом "Ажур", стр. 43-47 (год публикации - 2022)

6. Калинина Е.Г., Русакова Д.С., Шубин К.С., Ермакова Л.В., Пикалова Е.Ю. CeO2-based thin-film electrolyte membranes for intermediate temperature SOFCs: Direct electrophoretic deposition on the supporting anode from additive-modified suspensions International Journal of Hydrogen Energy, V. 48, Iss. 59, PP. 22559-22572 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijhydene.2023.01.159

7. Русакова Д.С., Павлова И.А., Ермакова Л.В., Пикалова Е.Ю., Калинина Е.Г. Электрофоретическое осаждение пленок на основе диоксида церия, модифицированного SrTiO3, для ТОТЭ с несущим анодом X Международная молодежная научная конференция, посвященная 120-летию со дня рождения академиков И.В. Курчатова и А.П. Александрова. Физика. Технологии. Инновации ФТИ-2023, Екатеринбург, 15–19 мая 2023 г. – Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2023, Стр. 694-696 (год публикации - 2023)

8. Русакова Д.С., Калинина Е.Г., Макаров Е.В., Пикалова Е.Ю. Влияние метода получения порошка ZrO2-Y2O3-Sc2O3 (ZSYO) на электрокинетические свойства суспензий Третья Школа молодых ученых «Электрохимические устройства: процессы, материалы, технологии», Новосибирск, 11–13 сентября 2023 г. – Новосибирск: Изд-во Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, 2023, стр. 26 (год публикации - 2023)

9. Русакова Д.С., Павлова И.А., Ермакова Л.В., Пикалова Е.Ю., Калинина Е.Г. Электрофоретическое формирование электролитных мембран ТОТЭ на основе СеО2/BaCeO3 с добавками Co3O4, TiO2 и Al2O3 на никель-керметных анодах Десятая всероссийская конференция с международным участием «Топливные элементы и энергоустановки на их основе», Черноголовка, 18–21 сентября 2023 г. – Изд-во Черноголовка, 2023, Стр. 140-142 (год публикации - 2023)
10.26201/ISSP.2023/FC.52

10. Русакова Д.С., Калинина Е.Г., Пикалова Е.Ю. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СУСПЕНЗИЙ МИКРОРАЗМЕРНОГО ПОРОШКА НА ОСНОВЕ ЦЕРАТА БАРИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОФОРЕТИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ БАРЬЕРНЫХ СЛОЕВ НА НЕСУЩЕМ ЭЛЕКТРОЛИТЕ ТОТЭ XXXI Зимняя школа по химии твердого тела, Екатеринбург, 9–11 февраля 2022 г.: материалы. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та., стр. 76-79 (год публикации - 2022)

11. Русакова Д.С., Павлова И.А., Макаров Е.В., Пикалова Е.Ю., Калинина Е.Г. КОМПОЗИТНЫЙ ЭФФЕКТ В СУСПЕНЗИЯХ СМЕСИ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНОГО ПОРОШКА НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ Материалы XXIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера. В 2 томах. Том 2 (г. Томск, 16–19 мая 2022 г.) – Томск: Изд-во Томского политехнического университета., том 2, стр. 451-452 (год публикации - 2022)

Публикации