Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Проведен синтез порошков и получены керамические материалы, являющиеся высокотемпературными протонными электролитами. В качестве основных объектов исследования выбраны материалы со структурой перовскита LaYO3 и BaCeO3–BaZrO3, браунмиллерита Ba2In2O5, фергусонита/шеелита LaNbO4. 2. Для системы BaCe0.5Zr0.3Y0.2O3–δ установлено влияние метода получения порошков (твердофазный метод синтеза, химическое соосаждение оксалатов, цитрат-нитратное сжигание, введение небольшого количества спекающей добавки или их комбинация) на фазовый состав, кинетику спекания, керамические свойства, термическое расширение и транспортные характеристики материалов. 3. Для ряда систем (BaCe0.5Zr0.3Ln0.2O3–δ, La1-xSrxYO3–δ, (La0.5Ln0.5)0.99Ca0.01NbO4–δ) выявлены закономерности изменения функциональных свойств в зависимости от состава сложнооксидных систем. На основе комплексного анализа выбраны электролитные материалы, потенциально пригодные для создания мембранно-электродного блока. 4. Проведены исследования по выявлению возможных электродных материалов, совместимых с электролитными системами. Для достижения этой цели проведен синтез и получение более десятка материалов для воздушных электродов, представляющих различные классы сложнооскидных систем (кобальтиты, Со-замещенные оксиды и оксиды, не содержащие кобальт; простые перовскиты, слоистые перовскиты, фазы Раддлесдена-Поппера и др.), а также исследованы особенности их структуры и электрофизических свойств. Сделаны первичные заключения о выборе наиболее подходящих электродных систем. 5. В рамках выполнения первого этапа гранта было опубликовано четыре статьи в международных рецензируемых журналах, включая Russian Journal of Electrochemistry (импакт фактор [IF] = 0.692), Journal of the European Ceramic Society (IF = 2.933), RSC Advances (IF = 3.289) и Journal of Materials Chemistry A (IF = 8.262). При этом два выбранных для публикаций журнала входят в первый квартиль (Q1) по направлению исследований. Одна публикация (журнал International Journal of Hydrogen Energy (IF = 3.205)) принята к печати и будет учтена в качестве индикатора в следующем году. 6. Полученные результаты были представлены на российских научных мероприятиях, включая XXVI Российскую молодёжную научную конференцию «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» (г. Екатеринбург), IX всероссийскую конференцию по электрохимическим методам анализа с международным участием и молодежной научной школой «ЭМА 2016» (пос. Леневка), 13-ое Совещание с международным участием “Фундаментальные проблемы ионики твердого тела” (г. Черноголовка) и XX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (г. Екатеринбург).

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Изучены транспортные характеристики протонных проводников на основе церато-цирконатов бария (BaCe0.7Zr0.1Y0.2O3–δ, BaCe0.5Zr0.3Y0.1Yb0.1O3–δ, BaCe0.5Zr0.3Dy0.2O3–δ) в широких интервалах температур (500 – 900 °С), парциальных давлений кислорода (10–10–0.21 атм) и паров воды (10–5–0.30 атм). Выявлены условия доминирования протонной, ионной и дырочной проводимостей. 2. Проведено апробирование изученных материалов в качестве электролитов твердооксидных топливных элементов. С применением вольт-амперных исследований в комбинации с осциллографическим методом и методом ЭДС выделены омические и поляризационные сопротивления (как составляющие общего сопротивления топливной ячейки), а также изучены транспортные характеристики тонкослойных электролитов (числа переноса, ионная проводимость). 3. На основе анализа литературных данных и результатов предыдущего года выбраны оксиды на основе YBaCo4O7+δ, Nd0.5Ba0.5FeO3–δ, Sr2MgMoO6–δ, SrTiO3, которые могут найти применение в качестве воздушных и топливных электродов, а также исследованы функциональные свойства этих материалов как в индивидуальном виде, так и в составе электрохимических (симметричных и топливных) ячеек. Проведено сравнение полученных данных (проводимость, электрохимическая активность) с литературными результатами, на основании чего сделано заключение о перспективности выбранных систем. 4. Результаты проекта были представлены на 7 российских и зарубежных конференциях, включая Первую международную конференцию по интеллектоемким технологиям в энергетике (физическая химия и электрохимия расплавленных и твердых электролитов), Четвертую всероссийскую конференцию с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”, XXVII Российскую молодежную научную конференцию “Проблемы теоретической и экспериментальной химии”, 21st International Conference on Solid State Ionics, HYdrogen POwer THeoretical and Engineering Solutions International Symposium (Hypothesis) XII, 10th International conference on sustainable energy and environmental protection, International workshop on protonic ceramic fuel cells and prospects (PPCC 2017). 5. Результаты второго этапа проекта были опубликованы в 8 научных журналах с ненулевым импакт-фактором (Ionics, Sensors and Actuators B: Chemical, Journal of Alloys and Compounds, ACS Applied materials and Interfaces, Ceramics International, Electrochimica Acta, International Journal of Hydrogen Energy), 6 из которых входят в первый квартиль (Q1) по соответствующим областям исследований.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Проведены исследования в области поиска новых протонпроводящих электролитов. Получены высокоплотные керамические образцы новой системы BaCe0.8-xZrxDy0.2O3-δ (x = 0,2 ... 0,6, Δx = 0,1), а также изучены их электрохимические свойства в широком интервале температур (от 100 до 900 °С), применяя методы измерения проводимости на переменном и постоянном токах. Проведено разделение общей проводимости материалов на объемную и зернограничную компоненту. Выявлено, что объемная проводимость определяет транспортные свойства материалов, начиная с ~ 190 °С для х = 0,2 и 470 ° С для х = 0,6, тогда как при более низких температурах общая проводимость контролируется проводимостью границ зерен. В соответствии с высокотемпературными измерениями, проводимыми в атмосферах воздуха и водорода с широким изменением парциального давления водяного пара в них, Zr обогащенные образцы (по сравнению с Се-обогащенными) проявляют более высокий вклад электронной проводимости в окислительных атмосферах и более низкий вклад протонной проводимости в восстановительных атмосферах. Отрицательные эффекты в электротранспортных свойствах, связанные с частичным замещением церия на цирконий, компенсируются более высокой химической стабильностью. 2. Проведены исследования в области поиска электродных материалов, перспективных для их применения с протонпроводящими электролитами. В рамках этого направления синтезированы и аттестованы оксиды на основе Ba-допированных Ln2NiO4+δ. Однофазные материалы состава Ln1.95Ba0.05NiO4+δ (Ln = La, Nd и Pr) были получены с помощью цитрат-нитратного метода синтеза, а их термомеханическая, электрическая и электрохимическая функциональность была изучена с применением дилатометрического метода, 4-х зондовых измерений на постоянном токе и электрохимической импедансной спектроскопии соответственно. Комплексный анализ полученных данных показывал, что для Pr-содержащего никелита достигнуты наиболее высокие электротранспортные свойства, соответствующие по своему уровню современным результатам. В то же время он обладает повышенным термическим коэффициентом линейного расширения, превосходящим на ~20% значение для электролитного материала. Оптимизация этих характеристик может быть обеспечена путем создания композитных электродов на основе Pr1.95Ba0.05NiO4+δ с небольшой фракцией электролитной компоненты, что и было реализовано при разработке единичных ячеек планарной и трубчатой конфигурации. 3. Получена и исследована единичная ячейка обратимого твердооксидного элемента (оТОЭ) на основе протонпроводящего электролита, а также впервые исследован отклик ее выходных характеристик (удельной мощности, удельного потока получаемого водорода) в зависимости от вариации трех контролируемых факторов: температуры, влажности газовых потоков и потенциала ячейки (режим топливного элемента, электролизера или режим разомкнутой цепи). Проведен анализ полученных данных с помощью методов дифференциации вольтамперных кривых и электрохимического импеданса. Сделаны основные закономерности о поведении омического и поляризационного сопротивлений и определены их вклады в общее сопротивление ячейки. Полученные результаты являются основой для оптимизации работы ячеек твердооксидных топливных элементов или электролизеров в реальных условиях. 4. С применением метода совместной прокатки пленок успешно получены единичные ячейки ТОТЭ трубчатой конфигурации, а также разработан мембранно-электродный блок из трех последовательно соединенных трубок. Разработаны соответствующие технологические инструкции, которые могу быть использованы для адаптации технологии во внелабораторных масштабах. 5. По направлению исследований опубликованы 7 статей в высокорейтинговых журналах; все они принадлежат первому квартилю по таким предметным областям, как “материаловедение”, “электрохимия” или “энергетика”. Результаты выполненных работ доложены и обсуждены на пяти конференциях, в том числе 2 международных.