В "иновационни работилници" FIEP RUSNANO и MSU обобщени в конкурса "Моята лаборатория". За нас е удоволствие да публикува най-добрата работа.
Друг завладяваща история е посветена на Лабораторията по Solid State нейонна IPCP RAS в Chernogolovka.
В началото на XIX век е установено експериментално явление висока йонна проводимост в твърди тела, сравнима с проводимостта на електролитни разтвори течни [1]. Откриването на това явление може да се припише на работата на британски изследовател Хъмфри Дейви (Хъмфри Дейви, 1778-1829) (Фигура 1.), който се наблюдава, че сухи твърди метални съединения на алкални, които не са проводници, дори с малък овлажняване става проводими. През следващите 200 години, феномена на висока йонна или superionnoyprovodimosti е обект на вниманието на изследователите на различни области на науката (неорганични и структурна химия, електрохимията, физика), което води до образуването на независима посока е получила наименованието "йонийски твърдо състояние" [2, 3].
Интересът към изучаването на проводящи свойства на твърди материали, които по-късно стават известни като "твърди електролити" не е случайно. Тя се причинява от не само основните причини за определяне естеството на superionic проводимост и неговата връзка с кристална структура на материала, но също така и възможност за допълнително технологично използване при създаване на твърдо състояние електрохимични устройства за различни цели: химически източници, горивни клетки, газови сензори, електрохромен преобразуватели, електрохимични мембрани и т.н. .d.
Фигура 2. Сравнителна размер на съвременни електронни компоненти (вляво) и печатна платка, получени чрез технологията на SMT (вдясно).
Въпреки това, на ефективното функциониране на електронни устройства не би било възможно без подобряване на енергийните източници, които също налагат строги изисквания не само от теглото и размера, но и потреблението на енергия и дългосрочните операции. В момента литиево-йонни батерии (фиг. 3), предназначени за захранване на преносими електроника, заемат водещо място в света по разпространението му. Но без фундаментални научни открития в областта на електрохимията и материално съществуване на такива устройства би било невъзможно.
В областта на резервните енергийни системи на преносими електронни устройства, в допълнение към подобряване на характеристиките на литиево-йонни батерии, компанията активно участва в развитието на водород въздух горивни клетки твърд полимер. Една от основните точки, които определят перспективите на тези разработки е значителен енергийното съдържание на горивната клетка, която е няколко пъти по-голяма от най-модерните литиево-йонни батерии. Един от водещите разработчици на енергийни системи, базирани на твърди полимер горивни клетки в Русия е лабораторията на твърдотелни нейонна (Лит) на Института на Руската академия на науките (IPCP) Проблеми на Химическа физика.
II. История на Лабораторията на твърдотелни нейонна
Лабораторията е създадена през 1964 г. по инициатива на академик AN Фрумкин Институт по електрохимия в състава на СССР академия на науките като лаборатория на Електрохимия на стопени соли, водена от професор Eugene A. Ukshe (фиг. 4) [4-5]. През 1967 г., лабораторията се прехвърля в Института на нови химични проблеми академия на науките (AN РСР) СССР (Chernogolovka) Разделяне на физическа химия и технология на неорганични материали СССР. Основни научни проблеми са решени в областта на химията на стопени соли, включващи определяне на капацитета на двоен електрически слой в стопени соли, изследването на електрохимически процеси в метал / йонен стопилката и изследване на кинетиката на хлор се разтваря в разтопени хлориди.
Исторически погледнато, че заедно с промяната на посоката на научните изследвания се промени и името на лабораторията. От 1975 г., лабораторията се превръща в лаборатория по електрохимия, твърди електролити. В "твърд електролит" субекти проведени проучвания за синтеза и свойствата на твърдия електролит с висока проводимост (superionic проводник) и неметални материали за електроди със смесено електронно-йонна проводимост (оксид бронз). Сред най-важните резултати на периода, могат да бъдат идентифицирани, както следва: получаване на нови материали с висока йонна проводимост Li +. Na +. К +. Си + и Н +; развити методи за количествен описание на провеждането двуфазна (разпределена) и матрични структури superionic-метал-диелектрик superionic и поликристални superionic проводници; Количественият модел на адсорбция релаксация електрически двоен слой в твърдия електролит; открит и експериментално доказано зависимост от електрон работа функция на природата на superionic електрод; транс показан един електрод към другия чрез кинетичните характеристики на superionic електронната подсистема.
Последните пет години от научната дейност Евгений Александрович Ukshe бе посветени elektrohimicheskoysensorike. В тази връзка, през 1989 г., лабораторията е преименуван в Лабораторията по електрохимия сензорни структури. Тази посока е тясно свързана с един от основните проблеми на естествени - съществуване Еньо многофазни структури с околната среда, в които химичната реакция на границата на фазите газ / твърди алтер енергия и физико-химичните характеристики на твърда структура. Това проучване е насочено към получаване на материали за твърдо състояние електрохимически сензори, изследването на проблеми за предаване на информация по време на превръщането на химическата или механична енергия в електрическа енергия на литий-електронен структури и развитието на твърди сензорни структури (фиг. 5). Натрупаните богати експериментални данни за свойствата на твърдите електролити и смесени електронни-йонна проводници, както и особености на електрохимически процеси в електрод / твърдия електролит може да се движи в посока на приемните материали за твърдо състояние електрохимически сензори. В резултат на тези изследвания е развитието на нискотемпературни твърдо състояние електрохимични системи за селективно и с висока чувствителност за определяне на концентрацията на активен газ, като например: Н2. Н2 S, СО и СО2 във въздуха при стайна температура. В сътрудничество с "ELINS" бяха създадени преносими сензори за откриване на концентрацията на водород. Тези устройства позволяват да се извърши идентификация едно време и непрекъснато наблюдение на водород във въздуха. В случай на превишаване на дадена концентрация на газ открива чрез устройството уведомява звукови и светлинни сигнали.
Фигура 5. Експериментален Проба водород сензор създаден заедно с "ELINS» Ltd. [5].
Фигура 6. главата Лабораторни твърдо състояние нейонна професор Y. Dobrovolsky (снимка от статия се нови технологии, да бъдат въведени в самолетостроенето).
- ниска температура kationprovodyaschie твърди електролити и смесени електронно-йонни проводници: синтез, структура и свойства на проучването;
- протонната провеждане полимер и многослойна мембрана superprotoniki: синтез, структура и свойства на проучването;
- механизъм йон трансфер в твърди вещества: експериментално изследване и теоретично моделиране;
- електронни граници поведение (смесен) проводник / твърд електролит в различните газови атмосфери;
- оборудване и методи за изследване на електрода процеси на базата на твърди електролитни системи;
- полупроводникови оксид халкогенидни и електродни материали: повърхностна морфология, адсорбция и химични процеси в повърхностните слоеве;
- Ниско температура горивни клетки: Получаване и изследване на свойствата superprotonic мембрани, електродни материали и електрохимически процеси;
- сензори ниска температура на газа, базирани на твърди електролити: създаване на прототипи и определящи функциониране.
III. Водородната въздух горивни клетки, твърд полимер
Разработване на енергийни системи, използващи принципа на горивна клетка (Fc), заедно с подобряването на литий-йон енергия на батерията е един от приоритетите на съвременната енергия. Основните принципи на работа на СК за първи път са показали английски изследовател Уилям Гроув (Уилям Гроув, 1811-1896) още през 1839 в разследването на електролиза на вода (фиг. 7). Grove отбележи, че в електролиза на вода след спиране на тока във веригата малък ток да тече в обратна посока, което е в резултат на реакция между продуктите на електролизата (водород и кислород), катализирани от платинови електроди. Той изследва възможността за серийна връзка от няколко клетки, образуващи по този начин газ галванична батерия (фиг. 7).
Фигура 7. Уилям Grove и водород въздух галванична батерия
Горивни клетки на базата на твърд полимерен електролит протона, често наричани protonobmennymi мембрани (Proton Exchange Membrane - РЕМ), са сред най-ефективните устройства, които превръщат химическа енергия в електрическа енергия. Един горивна клетка се състои от порьозни електроди (анод и катод), разделени от протон-провеждане мембрана тип газонепропускливо Nafion ® (фиг. 8). Такава система, събрани, се нарича мембрана електрод монтаж (МЕА). Водородът реагира от страна на анода, докато с кислород (от въздух) - на катода. Като резултат от тези реакции, прав ток във външна верига случи. Така само реакционният продукт е вода. TE-базирани PEM в състояние да разработи висока плътност на мощността (
1 W / ст2). Освен това, те се характеризират с висока динамика по време на работа - почти веднага след изхода на режим на номинална мощност. Количеството енергия, може да варира от няколко мегавата до кВт в зависимост от дизайна и предназначението на ТЕ.
Фигура 8. Схема на горивната клетка с protonobmennoy полимер мембрана.
Развитието на горивните клетки твърд полимер не би било възможно без използването на нанотехнологията. Това главно се отнася до създаването на силно наноструктурирани катализатори (фиг. 9) (преход към Nanocatalysts осигурява увеличаване на електрокаталитичен активност, намалена платиновата група метал поток и увеличаване на живота устройство) [6-8]. В допълнение нанотехнологиите са широко използвани за получаване на наноструктурирани мембрани, които се използват в системи за производство на водород и пречистване, както и водородни сензори [9, 10]. Трябва да се отбележи използването на нанотехнологиите в получаването на нано материали, които са в основата на водородни батерии с висок капацитет за водород [11, 12].
Фигура 9. платинови наночастици поддържат на въглеродни нанотръби [7].
Основните предимства от използването на горивни клетки са висока ефективност работа (40-60%), безопасността на околната среда, безшумна работа, както и използването им като гориво - водород, което е много удобен източник на енергия, поради своите широки възможности за генериране [13].
Това причини и причина преход към системи обещаващ за производство на енергия на базата на горивни клетки, който се основава на използването на високо водород к.п.д. гориво и опазването на околната среда.
IV. Перспективи за лаборатория на развитие: системи резервни производство на енергия на базата на горивни клетки водород въздух
В момента във фокуса на работата, извършена в лаборатория на Solid State нейонна изместен за развитието на технологичните основи на производството на водород-въздух горивни клетки. Под ръководството на професор Юри Анатолиевич Dobrovolsky лаборатория работи върху създаването на електрохимически енергийни генератори на базата на водород въздух горивни клетки мощност до 1 кВт.
За производството на горивната клетка на базата на Лабораторията по разгърнати технологични области, в това число:
- синтез катализатори и катализатор мастило производство;
- приложими катализатори ултразвуков метод пулверизиране (Фигура 10);
- производство мембрана-електрод възли (МЕА) чрез горещо пресоване;
- тестване на електрохимична активността на катализаторите и OIE за измерване на характеристиките кардиналност (Фиг.11);
- Смилане и пробивни машини за прототипи и производство експериментални модели на горивни клетки купчини;
- 3D оборудване на прототипи за горивни клетки стекове;
- монтаж и изпитване на горивни клетки купчини.
Фигура 10. Таблица система прилагане Prism Ultra Покриват покрития. Нанасяне на каталитично мастило на газ дифузия слой. (Снимка от статия в областта на новите технологии се въвеждат в самолетостроенето)
Фигура 11. Стойка Greenlight иновации електрохимични тестови мембрана-електрод модули от водород въздух горивни клетки. (Снимка от статия в областта на новите технологии се въвеждат в самолетостроенето)
В рамките на сравнително кратък период от време (около година) лабораторен екип разработил оригинален дизайн структури батерии твърди полимер горивни клетки (фиг. 12), и изчислил технологичния етап на поетапно сглобяване. Чрез използването на модерно високотехнологично оборудване, това е възможно да се постигне възпроизводимост на електрохимичните характеристики на горивната клетка и да организират своята полу-промишленото производство. Изпълнението на тази работа не би било възможно без съвместните усилия на Лит IPCP, АОК CIAM. PI Баранов, "Izhmash-Безпилотни системи" и "AFM-сървъри". Потенциални приложения, разработени електрохимични генератори на захранване на горивната клетка може да бъде мобилно оборудване като безпилотни летателни апарати (фиг. 13).
Фигура 12. Батерия горивни клетки твърд полимер, създадена от екип от нейонна Laboratory, водена от професор на твърдото Ю Доброволски (снимка от статия в областта на новите технологии се въвеждат в самолетостроенето)
Фигура 13. Инсталиране на батерията твърди полимер горивните клетки в безпилотни летателни апарати (снимка от статия в нови технологии се въвеждат в самолетостроенето)
VI. Позоваването
Учене опит в областта на нанотехнологиите Technopreneurship
В това проучване, ние искаме да споделим опит и отношението ви към нанотехнологиите Technopreneurship и свързаните с тях области. В предварително Ви благодарим за проявеното безразличен!
работата по проекта
Днес тя става все по-популярна т.нар работни проекти студенти, но има и много различни мнения по този въпрос. Ще ви бъдем благодарни, ако можете да изрази накратко мнението му по този въпрос чрез гласуване. Благодаря ви предварително!
Свързани статии