Институт / Лаборатории

Лаборатория ионики твёрдого тела

Уваров Николай
Фавстович
Заведующий лабораторией – Уваров Николай Фавстович,
доктор химических наук

E-mail: uvarov@solid.nsc.ru

Лаборатория ионики твёрдого тела, до 2021 г - Лаборатория неравновесных твердофазных систем, до 1998 г. Лаборатория структурных исследований, была организована на основе группы структурных исследований (рук. группы, а затем зав. лабораторией – д.х.н. Ю.Т. Павлюхин). До 2012 г. лабораторий руководил д.х.н. Ю.Т. Павлюхин, с 2012 г. – д.х.н. Н.Ф. Уваров.
Сотрудники
Фамилия Имя Отчество должность телефон внут. тел. комната* e-mail
УВАРОВ Николай Фавстович Гл.н.с. 233-24-10 *1207 1207 204(Л) @
БОХОНОВ Борис Борисович Вед.н.с. 233-24-10 *1146 1146 101
печной
@
ПОНОМАРЕВА Валентина Георгиевна Вед.н.с. 233-24-10 *1529 1529 309(Г) @
ЧЕРНЫШЕВ Альфред Петрович С.н.с. 233-24-10 *1109 1109 206 (П) @
МАТЕЙШИНА Юлия Григорьевна С.н.с. 233-24-10 *1133 1133 209(Л) @
УЛИХИН Артем Сергеевич С.н.с. 233-24-10 *1207 1207 204(Л) @
БАГРЯНЦЕВА Ирина Николаевна С.н.с. 233-24-10 *1529 1529 309(Г) @
УХИНА Арина Викторовна С.н.с. 233-24-10 *1149 1149 209(Л) @
ЗИМА Татьяна Мефодьевна С.н.с. 233-24-10 *1535 1535 310(Г) @
ТЯПКИН Павел Юрьевич Н.с. 233-24-10 *1200 1200 214(П) @
ХУСНУТДИНОВ Вячеслав Рамильевич М.н.с. 233-24-10 *1207 1207 204(Л) @
СИНЕЛЬНИКОВА Юлия Евгеньевна М.н.с. 233-24-10 *1133 1133 209(Л) @
ФЕДОРОВ Никита Александрович Аспирант 233-24-10 *1207 1207 204(Л)
ЛОГИНОВ Антон Викторович Аспирант @
БРЕЖНЕВА Лариса Ильинична Вед. инж. 233-24-10 *1148 1148 209(Л)
ПЕТРОВ Сергей Анатольевич Вед. инж. 233-24-10 *1109 1109 206(П) @
ШУТОВА Елена Сергеевна Вед.инж. 233-24-10 *1529 1529 308(Г)
ГЛОТОВА Вера Терентьевна Вед. инж. 233-24-10 *1147 1147 205(П)


Основные направления исследований
  • Разработка методов синтеза наноматериалов с контролируемой морфологией.
  • Исследование механизма ионного переноса в твердых веществах.
  • Изучение композиционных твердых электролитов, в том числе ионной проводимости нанокомпозитов.
  • Разработка твердотельных электрохимических устройств.

Основные научные результаты
  • Проведено детальное исследование структурных и морфологических изменений при реакции термического разложения гидратных фаз оксалатов олова, железа, марганца, меди, церия и иттрия. Исследована стадийность реакций дегидратации, предложены механизмы структурных превращений, которые реализуются при различных условиях реакции. Эти превращения вызывают различные деформации исходной структуры, что приводит к различиям в масштабах разрушения, изменениях размеров и формы кристаллов. Показано, что при определенных условиях проведения процесса конечные продукты образуются в виде псевдоморфозы, состоящей из наночастиц размерами менее 10 нм. В псевдоморфозе наночастицы связаны друг с другом прочными контактами и образуют высокопористый трёхмерный каркас. Синтезированные псевдоморфозы могут быть использованы в качестве оксидных матриц для создания нанокомпозиционных функциональных материалов, в том числе твердых электролитов.
  • Морфология псевдоморфоз оксидов железа Fe2O3 (слева), олова SnO2 (в центре) и церия CeO2 (справа).
  • Проведены детальные исследования структуры и транспортных свойств смешанных соединений на основе кислых солей щелочных металлов (CsH2PO4)1-x(CsHSO4)x, K1-хCsх(H2PO4)1-х(HSO4)х и Rb1-хCsх(H2PO4)1-х(HSO4)х в широком диапазоне составов. Показано, что в определенной области составов эти системы изоструктурны высокотемпературной кубической фазе CsH2PO4 или разупорядоченной фазе со структурой β-Cs3(HSO4)2(H2PO4) и характеризуются высокими значениями проводимости 10-3-10-2 См/см при 100-230 oC в режиме длительной изотермической выдержки, что важно для протонных мембран среднетемпературных электрохимических устройств.
  • Проведено систематическое исследование ионной проводимости различных фаз нитрата рубидия. Методом молекулярно-динамического моделирования показано, что проводимость нитрата рубидия осуществляется за счет дефектов Шоттки, а носителями тока в фазах IV и III являются катионы рубидия, которые мигрируют за счёт катионных вакансий. Показано, что значение ионной проводимости нитрата рубидия хорошо коррелирует с ориентационной подвижностью анионов NO3-.
  • Впервые изучена двойная система (1-х)RbNO3–xRbNO2. Показано, что во всем концентрационном диапазоне существует непрерывный ряд твёрдых растворов, при введении нитрит-анионов высокопроводящая фаза RbNO3–III стабилизируется в области более низких температур. Получены рубидиевые проводники с высокой ионной проводимостью при комнатной температуре.
  • Проведены систематические исследования проводимости нитритов щелочных металлов. Показано, что в ряду нитритов увеличение размера катиона приводит к монотонному уменьшению энтальпии образования дефектов и энтальпии миграции катионных вакансий. В результате наиболее высокой ионной проводимостью обладает нитрит цезия. 
  • Исследована ионная проводимость органической соли [н-Bu4N]BF4. Показано, что у этой соли существует ориентационно-разупорядоченная фаза с примитивной кубической элементарной решеткой, характеризующаяся высокой реориентационной подвижностью молекулярных фрагментов и относительно высокой анионной проводимостью.
  • Обнаружена высокая протонная проводимость в гибридных материалах на основе металл-органических координационных полимеров (МОКП) и протонных проводников, введенных в полимерный каркас: солей гидросульфата цезия, сильных кислот и некоторых органических соединений. Показано, что МОКП типа CrMIL-101 устойчив ко всем вводимым сильным кислотам, и гибридные материалы сохраняют кристаллическую структуру полимера в диапазоне температур 60-200 оС, в зависимости от введенной кислотной добавки. Проводимость зависит от парциального давления паров воды и характеризуется низкими энергиями активации, соответствующими переносу протона по механизму Гроттгусса. Значения протонной проводимости (10-1 -10-3 См/см) в области температур 60-150 оС при низкой влажности сопоставимы с характеристиками лучших низкотемпературных протонных проводников.
  • Исследованы транспортные свойства композиционных протонных электролитов на основе KH2PO4 и смешанных солей K1-хCsх(H2PO4)1-х(HSO4)х (с малой мольной долей х) и высокодисперсных диоксидов титана и кремния с различным характером распределения пор и размером пор. Выделены составы, обладающие высокой протонной проводимостью 10-2 См/см, механической прочностью и повышенной устойчивостью при 180-190 °С.
  • Исследован эффект гетерогенного допирования ионных солей высокодисперсными оксидными добавками, синтезированными методом термолиза оксалатных прекурсоров. В качестве ионных солей взяты нитриты щелочных металлов, твердые растворы на основе нитрата рубидия, перхлорат лития и соли замещенного аммония. Показано, что во всех случаях введение дисперсных добавок приводит к росту ионной проводимости, обусловленному влиянию переноса вдоль межфазных границ. Выделены наиболее проводящие составы, перспективные для практического использования в электрохимических устройствах.
  • Температурные зависимости проводимости
    композитов (1-x)CFIM-xCrMIL101
    различного состава.
    Температурные зависимости проводимости
    нанокомпозитов LiNO2 – оксид,
    полученных с различными оксидами.
  • Методом электрохимического анодирования с in situ эллипсометрическим контролем получены мезопористые пленки оксида алюминия, пропиткой которых можно получить мембраны и слои композиционных твердых электролитов с регулируемым размером пор. 
  • Установлено, что при термическом разложении солей висмута и серебра, внедренных в мезопористые матрицы SBA-15, возможно получение наночастиц металлов (серебра или висмута) заключенных в поры мезопористого диоксида кремния. Образующиеся при термическом разложении гетеронаноструктуры  SBA-15/металлическое серебро и SBA-15/металлический висмут нестабильны, и при отжиге происходит рекристаллизация металлов.
  • Исследовано изменение морфологических и структурных характеристик инкапсулированных наночастиц серебра в процессах их обработки газообразными реагентами H2S и HCl. Показано, что рост продуктов реакции - нанокристаллов сульфида серебра или хлорида серебра - происходит на внешней поверхности углеродной оболочки, при этом металл практически полностью уходит из оболочки. Таким образом, углеродные оболочки не являются непреодолимым препятствием для протекания химической реакции образования сульфида серебра.
  • Исследованы процессы селективного осаждения серебра на определенных гранях алмаза. Показано, что отжиг смеси порошка металлического серебра с микрокристаллами синтетического алмаза на воздухе или атмосфере кислорода в температурном интервале 600 – 700 оС приводит к формированию гетероструктуры, особенностью которой является селективный рост частиц серебра на кубических {100} гранях алмаза.
  • Сканирующая электронная микрофотография
    селективного осаждения частиц серебра
    на гранях {100} кристаллов синтетического алмаза
Результаты прикладных исследований
  • Разработаны электродные материалы для суперконденсатора на основе углеродных графеновых материалов. Полученные материалы, нанесенные на алюминиевую подложку, обладают высокими значениями удельной емкости: более 250 Ф/г в 1 М растворе серной кислоты и более 220 Ф/г в 1 М растворе LiClO4 в ацетонитриле. Скорость деградации электрода не превышает 5% от полной емкости после 8000 зарядно-разрядных циклов при величине тока 2 А/г. Разработан лабораторный технологический регламент процесса изготовления экспериментального образца рабочего электрода. Предварительная оценка технико-экономических параметров экспериментального образца электрода показывает, что стоимость затрат на производство рабочего электрода в пересчете на 1 фарад накопленной емкости составляет 1.8 цента, что в 5 раз ниже чем у ведущих зарубежных производителей суперконденсаторов. 
  • Разработан твердотельный суперконденсатор с твёрдым электролитом 0.7RbNO3–0.3RbNO2, который характеризуется относительно высоким значением потенциала электрохимического разложения (2,5 - 3 В) и более высокими значениями удельной ёмкости. В нем не содержится органических соединений, благодаря чему он устойчив к термическому воздействию (диапазон рабочих температур Траб=150-180 оС).
  • Определены оптимальные параметры процесса осаждения прозрачного проводящего плёночного покрытия SnO2-хFх (FTO), позволяющие получить покрытия с сопротивлением ниже 10 Ом и прозрачностью выше 50 %. Показано, что полученные покрытия являются нанокристаллическими, оценочный размер зерен частиц FTO составляет 14 ± 4 нм. Оценены характерные времена стадий, скорость роста (1,3-1,4 нм/с), толщина покрытий и их удельная проводимость. Полученные пленочные материалы могут быть использованы для изготовления гетероструктур для ионики.
Патенты
  1. Патент РФ № 2541142. Способ изменения исходного и поддержания заданного парциального давления кислорода / Ю.С. Охлупин, П.Г. Сафонов, Д.И. Сковородин, А.С. Аракчеев, Н.Ф. Уваров, И.Н. Сковородин. Опубл. 24.12.2014.
  2. Патент РФ № 2552357. Электролит для суперконденсатора / Н.Ф. Уваров, Л.И. Брежнева, А.С. Улихин, Ю.Г. Матейшина. Опубл. 10.06.2015.
  3. Патент РФ № 2579750. Способ получения композиционного электродного материала / С.И. Юсин, Н.Ф. Уваров, А.С. Улихин, Ю.Г. Матейшина. Опубл. 10.04.2016, Бюл. 10.
  4. Патент РФ № 2592863. Суперконденсатор с неорганическим твёрдым электролитом и углеродными электродами / А.А. Искакова, А.С. Улихин, Н.Ф. Уваров, Ю.Г. Матейшина, Л.И. Брежнева. Опубл. 27.07.2016, Бюл. 21.
Текущие проекты и гранты
Проекты по программам фундаментальных исследований СО РАН
  • Проект «Синтез нанокомпозитных материалов и гетероструктур для ионики» (2017-2020 гг.).
Проекты по программам фундаментальных исследований РАН
  • Проект «Разработка материалов для электрохимических устройств: топливных элементов, суперконденсаторов, литиевых аккумуляторов» (в рамках Комплексной программы Сибирского отделения РАН № II.2 «Интеграция и развитие», 2016-2017 гг.).
Гранты Российского фонда фундаментальных исследований
  • № 14-03-31442-мол_а_2014 «Исследование транспортных свойств и механизмов проводимости в ряду нитритов щелочных металлов» (2014-2016 гг.).
  • № 14-03-31697-мол_а_2014 «Среднетемпературные протонные мембраны для топливных элементов» (2014-2016 гг.).
  • № 14-03-00510-а «Нанокомпозитные твердые электролиты на основе ориентационно-разупорядоченных фаз» (2014-2016 гг.).
  • № 14-08-00736-а «Исследование механизма повышения протонной проводимости в кислых фосфатах цезия – перспективных мембранах для среднетемпературных топливных элементов» (2014-2016 гг.).
  • № 15-08-08961-а «Влияние гетеровалентного замещения в CsH2PO4 катионами бария на структурные, термические, транспортные свойства и механизм проводимости» (2015-2017 гг.).
  • № 15-33-20061-мол_а_вед «Дизайн металл-углеродных композитов и пористых углеродных материалов в условиях контролируемой графитизации при консолидации порошков» (2015-2017 гг.).
  • № 16-33-60188-мол_а_дк «Влияние модификации поверхности нанодисперсных оксидов на транспортные свойства композиционных твердых электролитов» (2016-2018 гг.).
  • № 16-33-00109-мол_а «Исследование структуры и морфологии покрытий, нанесенных на поверхность синтетических алмазов, для повышения эффективности спекания с металлическими матрицами» (2016-2018 гг.).
Оборудование
  • Электронный микроскоп просвечивающий JEM-200 FX (JEOL, Япония).
  • Электронный микроскоп сканирующий TEM1000 (Япония).
  • Дифрактометр рентгеновский ДРОН 3М (Россия).
  • Дифрактометр рентгеновский ДРОН 407 (Россия).
  • Спектрометр мессбауэровский  NP255-610 (Венгрия).
  • Термоанализатор синхронный Jupiter STA-449 F/1/1 с масс-спектрометрической приставкой QMS403 CF AELOS (NETSCH, Германия).
  • Дифференциальный сканирующий калориметр NETSCH (Германия).
  • Дифференциальный сканирующий калориметр DSC-550 (США).
  • Дилатометр DIL-402.
  • Система прецизионных измерений электрических свойств композитов на постоянном токе.
  • Cистема для изучения температурной зависимости проводимости и токов деполяризации.
  • Измеритель диэлектрических характеристик прецизионный LCR-HP4284A (HEWLETT PACKARD, США).
  • Комплекс для прецизионного измерения сопротивления проводящих материалов ИПУ-01 (ООО "ЦИТ", Россия).
  • Пресс автоматизированный для горячего прессования.