Programul "Ateliere de inovații" de FIOP RUSNANO și MSU numit după MVLomonosov a rezumat rezultatele concursului "Laboratorul meu". Suntem încântați să publicăm cele mai bune lucrări.
O alta poveste fascinanta este dedicata Laboratorului Ionica Solidului IPCP RAS din Chernogolovka.
In secolul XIX timpuriu a fost descoperit experimental fenomenul de înaltă conductivitate ionică în corpuri solide, comparabil cu conductivitatea soluțiilor de electrolit lichid [1]. Descoperirea acestui fenomen poate fi atribuit munca de cercetător britanic Humphrey Davy (Humphry Davy, 1778-1829) (Fig 1.), care a observat că compușii secetoase solizi de metale alcaline, care nu sunt conductori, chiar și cu un umidificarea mic devine conductor. In urmatorii 200 de ani, fenomenul de ridicat ionic sau superionnoyprovodimosti a fost obiectul atenției cercetătorilor din diferite domenii ale științei (chimie anorganică și structurală, electrochimie, fizică), ceea ce duce la formarea unei direcții independente a primit numele de „stare solidă Ionic“ [2, 3].
Interesul în studiul proprietăților conductive ale materialelor solide, care mai târziu a devenit cunoscut sub numele de „electroliti solizi“ nu este intamplatoare. Aceasta este cauzată nu numai cauzele fundamentale ale identificării naturii conductivității superionic și relația sa cu structura cristalină a materialului, dar, de asemenea, posibilitatea utilizării tehnologice suplimentare în crearea electrochimice dispozitive în stare solidă pentru diverse scopuri: surse chimice, pile de combustie, senzori de gaz, traductoare electrochromic, membrane electrochimice etc. .D.
Figura 2. Mărimea comparativă a componentelor electronice moderne (pe partea stângă) și plăcile de circuite imprimate obținute prin tehnologia SMT (dreapta).
Cu toate acestea, funcționarea eficientă a gadget-uri electronice nu ar fi posibilă fără îmbunătățirea surselor de energie, care au impus, de asemenea, cerințe stricte, nu numai cu privire la greutatea și dimensiunile, dar, de asemenea, operațiunile de consum de energie și pe termen lung. În prezent, bateriile litiu-ion (Figura 3), destinate alimentării cu energie a dispozitivelor electronice portabile, ocupă locul de frunte în lume în prevalența sa. Dar fără descoperiri științifice fundamentale în domeniul electrochimiei și științei materialelor, existența unor astfel de dispozitive ar fi imposibilă.
În domeniul sistemelor energetice de rezervă ale dispozitivelor electronice portabile, în plus față de îmbunătățirea caracteristicilor bateriilor litiu-ion, compania este implicată în mod activ cu dezvoltarea celulelor de combustie polimer solid hidrogen-aer. Unul dintre factorii cheie care determină perspectivele acestor evoluții este consumul semnificativ de energie al celulelor de combustie, care depășește de mai multe ori cele mai moderne baterii litiu-ion. Unul dintre cei mai importanți dezvoltatori de sisteme de alimentare pe bază de pile de combustie de polimer solid din Rusia este Laboratorul de ionici în stare solidă (Litt) ale Institutului al Academiei Ruse de Științe (IPCP) Probleme de fizica chimica.
II. Istoria laboratorului de ioni solide
Laboratorul a fost fondat în 1964 la inițiativa academicianului A.N. Frumkin Institutul de Electrochimie în componența Academiei de Științe a URSS ca Laboratorul de Electrochimie de săruri topite, condus de profesorul Eugene A. Ukshe (Fig. 4) [4-5]. În 1967, laboratorul a fost transferat la Institutul de Chimie Probleme Nou Academia de Științe (AN PCP), URSS (Chernogolovka) Divizia de chimie fizică și tehnologia materialelor anorganice, URSS. Probleme științifice de bază sunt rezolvate în domeniul chimiei sărurilor topite care cuprinde determinarea capacității stratului dublu electric în săruri topite, studiul proceselor electrochimice la metal / topitură ionică și studiul cineticii de clor se dizolvă în cloruri topite.
Din punct de vedere istoric, numele laboratorului sa schimbat odată cu schimbarea direcției științifice a cercetării. Din anul 1975 laboratorul a fost transformat în laboratorul de electrochimie a electroliților solizi. In cadrul subiecților „electroliți solide“ studii privind sinteza și proprietățile electrolit solid cu o conductivitate ridicată (conductor superionic) și materiale de electrod nemetalice cu conductivitate electronică ionic mixt (oxid de bronz) efectuate. Printre cele mai importante rezultate ale perioadei pot fi identificate după cum urmează: obținerea de noi materiale cu conductivitate mare de ioni de Li +. Na +. K +. Cu + și H +; Metodele dezvoltate pentru descrierea cantitativă a conducției în două faze (distribuită) și structuri de matrice conductori superionic superionic și policristaline superionic-metal-dielectric; Se propune un model cantitativ de relaxare a adsorbției unui strat dublu electric în electroliți solizi; dependența funcției de lucru a unui electron de superioară față de natura electrodului este descoperită și demonstrată experimental; trans arătat un electrod la altul, prin caracteristicile cinetice ale superionic subsistemului electronic.
Ultimii cinci ani de activitate științifică Evghenii Alexandrovici Ukshe a fost dedicat elektrohimicheskoysensorike. În acest sens, în 1989 laboratorul a fost redenumit în Laboratorul de Electrochimie a Structurilor Sensoriale. Această direcție este strâns asociat cu una dintre problemele fundamentale ale structurilor naturale - multifazice existenta enio cu mediul în care reacția chimică pe limita de fază a caracteristicilor alter energetice și fizico-chimice gaz / solide ale structurii solide. Acest studiu a avut ca scop obținerea de materiale pentru senzori electrochimici cu semiconductori, studiul problemelor de transmitere a informațiilor în timpul transformării chimice sau energiei mecanice în energie electrică în structurile de litiu electronice, precum și dezvoltarea structurilor de senzori cu semiconductori (Fig. 5). Date experimentale Acumulate bogate asupra proprietăților electroliti solizi și conductori electronice ionice mixte, precum și particularități ale proceselor electrochimice la electrod / electrolit solid este lăsat să se deplaseze la materiale receptoare direcționale pentru senzori electrochimici cu semiconductori. Rezultatul acestor studii a fost dezvoltarea unor sisteme electrochimice semiconductori de temperatură joasă pentru a determina în mod selectiv și cu sensibilitate ridicată concentrația de gaz activ, cum ar fi: H2. H2S, CO și CO2 în aer la temperatura camerei. În colaborare cu LLC "Elins", s-au dezvoltat senzori portabili pentru a detecta concentrațiile de hidrogen. Aceste dispozitive au permis determinarea individuală și monitorizarea continuă a conținutului de hidrogen în aer. Dacă concentrația specificată a gazului detectat este depășită, dispozitivul este notificat prin semnale sonore și luminoase.
Figura 5. Eșantion experimental de senzor de hidrogen, creat împreună cu LLC "Elins" [5].
Figura 6. Șeful laboratorului de ioni solizi Prof. Yu.A. Dobrovolski (foto de la articolul Noi tehnologii sunt introduse în construcția de aeronave).
- electroliți solizi cu cationi de joasă temperatură și diferiți conductori de electroni: sinteza, studiul structurii și proprietăților;
- membrane polimerice și compozite conducătoare de protoni, super-protoni: sinteza, studiul structurii și proprietăților;
- mecanismul transportului ionic în solide: cercetarea experimentală și modelarea teoretică;
- comportament al limitelor electronice (mixte) conductor / electrolit solid în diferite medii de gaze;
- echipamente și metode pentru studierea proceselor de electrozi în sisteme bazate pe electroliți solizi;
- materialele cu oxid de semiconductori și electrozii de chalcogenide: morfologia suprafeței, adsorbția și procesele chimice în straturile de suprafață;
- celule de combustie cu temperatură scăzută: obținerea și investigarea proprietăților membranelor superprotonice, a materialelor electrodice și a proceselor electrochimice;
- senzori de gaz la temperaturi scăzute bazați pe electroliți solizi: crearea de prototipuri și determinarea mecanismelor de funcționare.
III. Hidrogen-aer de celule de polimer solid de combustibil
Dezvoltarea sistemelor de alimentare cu energie utilizând principiul funcționării celulelor de combustie (FC), împreună cu îmbunătățirea bateriilor cu litiu-ion, este unul dintre domeniile prioritare ale energiei moderne. Principiile de bază ale funcționării FC au fost demonstrate mai întâi limba engleză Explorer William Grove (William Grove, 1811-1896), cât mai devreme 1839 în investigarea electroliza apei (fig. 7). Grove a observat că, în electroliza apei după o pană de curent în circuit un curent mic să curgă în direcția opusă, care este rezultatul unei reacții între produsele de electroliză (hidrogen și oxigen), catalizate de electrozi din platină. El a investigat posibilitatea unei conexiuni în serie a mai multor celule, formând astfel o baterie de gaz galvanic (figura 7).
Figura 7. William Grove și bateria lui galvanică cu hidrogen-aer
Celulele de combustibil bazate pe solide protonul polimer electrolit, numit adesea membrane protonobmennymi (schimb de protoni cu membrana - PEM), sunt printre cele mai eficiente dispozitive care convertesc energia chimică în energie electrică. O singură celulă de combustibil este alcătuit din electrozi poroși (anod și catod) separate printr-un conductor de protoni tip membrană etanșă la gaze Nafion ® (Fig. 8). Un astfel de sistem, asamblat împreună, se numește unitate de membrană-electrod (OIE). Hidrogenul reacționează la partea anodică, în timp ce cu oxigen (din aer) - pe partea catodică. Ca urmare a acestor reacții, un curent constant apare în circuitul extern. Singurul produs al reacției este apa. TE bazate pe PEM pot dezvolta o putere specifică ridicată (
1 W / cm2). În plus, se caracterizează printr-un dinamism ridicat la locul de muncă - aproape instantaneu după pornire, acestea trec la modul cu o putere nominală. Puterea poate varia de la câteva MW la kW, în funcție de designul și scopul FC.
Figura 8. Diagrama unei celule de combustie cu o membrană de schimb de protoni polimer.
Dezvoltarea unor celule de combustie polimerică solidă nu ar fi posibilă fără utilizarea nanotehnologiei. Acest lucru se referă în principal la crearea catalizatorilorînalt nanostructurate (Fig. 9) (tranziția la nanocatalysts prevede o creștere a activității electrocatalitice, fluxul de metal redus din grupa platinei și crește durata de viață dispozitiv) [6-8]. In plus, nanotehnologie sunt larg utilizate pentru prepararea membranelor nanostructurate, care sunt utilizate în sistemele care produc hidrogen și purificare, precum și senzori de hidrogen [9, 10]. Trebuie remarcat utilizarea nanotehnologiei în prepararea materialelor nanoscale care sunt baza de baterii pe bază de hidrogen, cu o capacitate mare de hidrogen [11, 12].
Figura 9. Nanoparticule de platină depuse pe nanotuburi de carbon [7].
Principalele avantaje ale utilizării celulelor de combustibil sunt randament ridicat de lucru (40-60%), siguranța mediului, funcționarea fără zgomot, precum și utilizarea ca și combustibil - hidrogen, care este sursa de energie foarte convenabil, datorită posibilităților sale largi de generare [13].
Aceste motive și provoacă perspectiva tranziției la sistemele de generare a energiei bazate pe celulele de combustie, pe baza eficienței ridicate a conversiei combustibilului pe bază de hidrogen și a purității mediului.
IV. Perspectivele dezvoltării laboratorului: dezvoltarea sistemelor de generare a energiei în standby pe bază de celule de combustie hidrogen-aer
În prezent, accentul lucrărilor efectuate în Laboratorul de Solid State Ioni sa mutat la dezvoltarea fundațiilor tehnologice pentru producerea de pile de combustie hidrogen-aer. Sub îndrumarea profesorului Yuri Anatolyevich Dobrovolski, Laboratorul lucrează la dezvoltarea generatoarelor de energie electrochimică bazate pe celule de combustie hidrogen-aer până la 1 kW.
Pentru producerea celulelor de combustie pe baza Laboratorului, se desfasoara sectiuni tehnologice, incluzand:
- sinteza catalizatorilor și producția de cerneluri catalitice;
- aplicarea catalizatorilor prin atomizare cu ultrasunete (figura 10);
- fabricarea blocurilor cu membrană-electrod (OIE) prin metoda presării la cald;
- testarea activității electrochimice a catalizatorilor și măsurarea caracteristicilor de putere ale OIE (figura 11);
- Echipamente de frezat și de foraj pentru prototipuri și fabricarea probelor experimentale de baterii de celule de combustie;
- echipamente pentru prototipuri 3D ale bateriilor cu celule de combustibil;
- asamblarea și testarea bateriilor cu celule de combustibil.
Figura 10. Sistemul de acoperire cu suprafața de lucru Prism Ultra Coat. Spray cernelurile catalitice pe stratul de difuzie a gazului. (fotografie din articolul din "Tehnologii noi" este introdusă în construcția garniturilor)
Figura 11. Standul de inovare Greenlight de testare electrochimică a blocurilor de membrană-electrod de celule de combustie hidrogen-aer. (fotografie din articolul din "Tehnologii noi" este introdusă în construcția garniturilor)
Într-o perioadă relativ scurtă de timp (aproximativ un an), echipa de laborator a dezvoltat celule de combustibil solid polimer originale structuri de proiectare baterii (Fig. 12), și a lucrat stadiul tehnologic al unui ansamblu de etape. Datorită utilizării echipamentelor moderne de înaltă tehnologie, a fost posibilă realizarea reproductibilității caracteristicilor electrochimice ale celulelor de combustie și organizarea producției seminindustriale. Implementarea acestei lucrări nu ar fi fost posibilă fără eforturile comune ale LITT IPCP RAS, UAC CIAM. PI Baranova, "Izhmash-Unmanned Systems" și "AFM-Servers". Aplicațiile potențiale dezvoltate generatoare electrochimice ale sursei de alimentare cu celule de combustibil poate fi un echipament mobil, cum ar fi vehiculele aeriene fără pilot (Fig. 13).
Figura 12. Bateria de celule de combustie polimerică solidă, creată de echipa Laboratorului de Ionică Solidă, sub îndrumarea profesorului Yu.A. Dobrovolski (foto din articolul din "Tehnologii noi" sunt introduse în construcția de aeronave)
Figura 13. Montarea bateriei de celule de combustie polimerică solidă într-un vehicul aerian fără pilot (fotografia de la articolul din Tehnologii noi este introdusă în construcția de aeronave)
VI. Lista literaturii utilizate
Experiența formării în domeniul tehnologiei nanotehnologiei
În acest studiu, vă rugăm să vă împărtășiți experiența și atitudinea dvs. față de tehnologia nanotehnologiei și ariile aferente. Vă mulțumim anticipat pentru nediscriminarea voastră!
Lucrări de proiect
Astăzi, așa-numita lucrare de proiect a elevilor este din ce în ce mai populară, dar există opinii foarte diferite în acest sens. V-am fi recunoscători dacă v-ați exprima pe scurt opinia dvs. cu privire la această chestiune votând. Mulțumită în avans!