Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России
Денис Павлович ОПРА |
– Денис, мы с вами в
последний раз беседовали пять лет назад, когда вы рассказали нашим читателям о
себе, исследованиях. В 2017 году вы стали лауреатом конкурса на получение
грантов Российского научного фонда по мероприятию «Проведение инициативных
исследований молодыми учёными» Президентской программы исследовательских
проектов, реализуемых ведущими учёными, в том числе молодыми учёными. Название
исследовательского проекта: «Фундаментальные
проблемы замещения ионов титана в структуре TiO2(бронза) катионами
переходных металлов».
Что важного произошло за
это время в вашей исследовательской деятельности?
–
За прошедший временной период мы добились ряда интересных результатов в области
литий-ионной технологии накопления и хранения энергии в части создания новых
электродных материалов на основе титаноксидных наноструктур с возможностью
безопасной эксплуатации в режиме форсированного заряда (быстрая зарядка) и в
расширенном температурном диапазоне. Мы начали исследовательские работы
в новой для нас области натрий-ионных аккумуляторов. Технология натриевого иона
избавлена от ограниченности ресурсно-компонентной базы (в отличие от лития,
земная кора богата натрием), характеризуется сравнительной дешевизной и может
стать альтернативой литиевой в ряде крупногабаритных приложений, таких как
сфера возобновляемой энергетики, резервные системы электроснабжения, транспорт
и т.п. Исследователи прилагают массу усилий, работая в данном направлении.
Среди главных проблем – разработка материалов, подходящих для создания таких
устройств. Ион натрия на треть больше литиевого, поэтому структура вещества,
применяемого для его накопления, должна быть просторной и устойчивой. В данном случае перспективу имеют трёхмерные
кристаллические матрицы со слоистым мотивом сборки и наличием каналов и
туннелей, открытых для транспорта и размещения «гостевых» ионов, к которым
относится и TiO2(B).
Экспертами
Российского научного фонда наши предложения были поддержаны, и в 2019 году мы
выиграли грант № 19-73-10017 на тему «Новые
электродные материалы на основе допированного TiO2(B) для литий- и
натрий-ионных аккумуляторов» в рамках конкурса проектов научных групп под
руководством молодых учёных Президентской программы исследовательских проектов.
Я стал руководителем группы, а в 2022 году наш проект получил поддержку в
рамках конкурса Российского научного фонда на продление грантов.
– Недавно вам присуждена
премия ДВО РАН имени профессора В.Т. Быкова за цикл работ «Физико-химические основы создания материалов с улучшенными свойствами
для литий- и натрий-ионных аккумуляторов на основе титаноксидных наноструктур с
дефектами кристаллического строения». Расскажите о целях и задачах цикла
работ. Как связаны вышеупомянутая и нынешняя работы?
– На протяжении последних трёх десятков
лет электрохимические системы преобразования и хранения энергии на основе
литий-ионной технологии переживают непрерывное развитие. Это было обусловлено
быстрорастущим спросом на такие виды продукции, как портативные средства связи,
фото- и видеоаппаратура, переносные гаджеты различного назначения и т.п. В
последнее время литий-ионные аккумуляторы стали применять в электросетях для
сглаживания нагрузок, для накопления энергии от возобновляемых источников, в
системах резервного энергоснабжения и автономного бытового жизнеобеспечения, для
транспортных нужд, и т.д.
Однако литий-ионные аккумуляторы
характеризуются дороговизной и ограниченностью ресурсной базы (прежде всего кобальта
и лития), что препятствует их широкомасштабному внедрению в вышеуказанных
сферах. Напротив, натрий входит в семёрку наиболее распространенных на планете
элементов, его запасы огромны, а стоимость натрийсодержащего сырья, по меньшей
мере, в несколько десятков раз ниже литийсодержащего. Кроме того, при создании
натрий-ионных аккумуляторов можно обойтись без использования меди на аноде,
заменив её более доступным алюминием. Далее, ввиду схожести устройства и
принципов работы, производственные мощности, используемые
при создании литий-ионных аккумуляторов, могут быть задействованы для
коммерческого выпуска натрий-ионных источников тока. Одной из ключевых проблем,
препятствующих сегодня коммерциализации натрий-ионных аккумуляторов, является
отсутствие консенсуса по поводу веществ для электродных материалов.
Вышеупомянутый цикл работ связал воедино наши усилия за последние годы, нацеленные
на получение (направленный синтез) новых и усовершенствованных электродных
материалов для металл-ионных аккумуляторов, в том числе характеризующихся
безопасностью эксплуатации в режиме форсированного заряда и высокой надёжностью
при циклировании.
– Ставите ли вы цели и
задачи своих работ самостоятельно или с кем-то совместно?
–
Что касается самостоятельности в науке, то это, несомненно, важно, однако наука
сегодня по большей части – это коллективная деятельность, и открытия –
результат работы коллектива учёных. Это справедливо и в нашем случае.
Слева направо: А.Б. ПОДГОРБУНСКИЙ, старший научный сотрудник, кандидат химических наук; А.А. СОКОЛОВ, младший научный сотрудник; Д.П. ОПРА, заведующий лабораторией, кандидат химических наук
–
Работы ведутся совместно с коллегами из Института химии ДВО РАН. Причём,
учитывая охват задач и методов исследования, требующих применения для их
решения, можно говорить о том, что так или иначе мы взаимодействуем практически
со всеми научными сотрудниками нашей организации. «Костяк» коллектива включает,
прежде всего, сотрудников отдела электрохимических систем и процессов
модификации поверхности, возглавляемого доктором химических наук, членом-корреспондентом
РАН Сергеем Васильевичем Гнеденковым. Широко задействуем оборудование центров
коллективного пользования, расположенных в научных учреждениях ДВО РАН (ННЦМБ
ДВО РАН и ФНЦ Биоразнообразия ДВО РАН). До недавних пор мы активно взаимодействовали
с коллегами из исследовательского центра «CIC nanoGUNE» (Испания), выполняющего
фундаментальные и прикладные исследования мирового уровня в области
нанотехнологий. Надеемся на скорое возобновление контактов.
– Какие материалы и какие
их свойства планируете улучшить? О каких дефектах идёт речь в работе?
–
Так сложилось, что наиболее перспективные и многообещающие материалы для
электродов относятся к классу полупроводников и обладают слабой электронной
проводимостью, характеристикой, являющейся одной из ключевых при создании
аккумуляторов. Но электронные свойства полупроводников можно улучшить, например,
за счёт направленного дефектообразования. В этом случае в кристаллическую
решётку материала вводят в определённой концентрации атомы примесного элемента
(так называемое допирование) или в кристаллической решётке создают вакансии за
счёт удаления узловых атомов. При этом выбор того или иного элемента с учётом
его свойств на роль примеси, степень допирования и метод получения определяют
свойства синтезируемого нового вещества, которые зачастую кардинально
отличаются от свойств предшественника.
– Какие задачи были
решены в результате ваших исследований?
–
В представленных на конкурс работах отражены результаты исследований, в ходе
которых был решен ряд задач, связанных с: а) разработкой способов получения
электрохимически активных материалов на основе нанокристаллического (в форме
нанотрубок, нанолент, наносфер) оксида титана(IV) в структурной модификации
бронз (TiO2(B)), допированного гомо- и
гетеровалентными примесями катионного, анионного и смешанного типов: за период
работ впервые синтезированы такие производные (твёрдые растворы замещения и
замещения/внедрения) как Ti1–xNixO2–δ(B), Ti1–xZrxO2(B), Ti1–xZnxO2–δ(B), Ti1–xMnxO2–y–δFyNz(B), Ti1–xVxO2(B); б) физико-химической характеристикой
полученных новых веществ; в) созданием макетов литий- и натрий-ионных
аккумуляторов и тестированием их энергетических, мощностных и эксплуатационных
параметров. В ходе исследований изучена взаимосвязь между валентностью
(степенью окисления), электроотрицательностью, ионным радиусом допирующих
элементов, с одной стороны, и электротранспортом ионов Li+ и Na+
в кристаллическом каркасе модифицированного TiO2(B) в ходе электрохимического процесса,
его устойчивостью при многократном внедрении/извлечении ионов, величиной
электродного потенциала, с другой. Впервые показана возможность стабилизации
метастабильной фазы TiO2(B) за счёт допирования фтором, что
крайне важно ввиду сложности получения однофазных продуктов на основе данной
кристаллической модификации. По варианту с внесением стабилизирующего
компонента впервые синтезированы и изучены марганецсодержащие производные TiO2(B). В ходе электрохимических испытаний
при высокой токовой нагрузке 3
А/г в ячейках литиевых аккумуляторов на электродах из нанотрубчатого Ti0,96V0,04O2(B) зафиксирована ёмкость, равная 130 миллиампер-час
на грамм (мА·ч/г). В ходе
тестирования нанолент допированного никелем TiO2(B) (с дозой Ni в 5 ат. %) в натриевых ячейках
обнаружено его устойчивое циклирование с ёмкостью на уровне 100 мА·ч/г при
плотности тока 35 мА/г. Достигнутые рабочие параметры позволяют говорить о перспективности
таких материалов для практического применения.
– Денис, не особо
используя научные термины, объясните действие вашего аккумулятора так, чтобы
было понятно и неспециалисту в области химии.
– Аккумулятор можно охарактеризовать как источник питания,
в котором энергия химической реакции преобразуется в электрическую и наоборот.
Он включает два электрода, между которыми проложен изоляционный материал
(сепаратор), пропитанный специальным раствором (электролитом).
–
И в заключение нашей беседы расскажите о ваших планах.
– До недавнего времени наши усилия были
сосредоточены на улучшении отдельных компонент аккумулятора и проведении
лабораторных экспериментов. В ближайшем будущем мы планируем расширить наши
исследования, приступив к конструированию модельных систем и оценке рабочих
показателей в реальных условиях эксплуатации.