Когда энергия в основе всего

 

Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Денис Павлович ОПРА

   Денис Павлович ОПРА, заведующий лабораторией функциональных и электрохимически активных материалов, кандидат химических наук известен нашему читателю. Перспективный молодой учёный, стипендиат Правительства Российской Федерации работникам организаций оборонно-промышленного комплекса 2019 года, имеет Ведомственную награду Минобрнауки России: нагрудный знак «Молодой учёный», 2021 года. Недавно Денис Опра стал лауреатом премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России (премия имени профессора В.Т. Быкова), 2022 год. Это событие послужило поводом для нашей встречи и последующего разговора.

– 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

        – Денис, кто кроме вас участвует в этом проекте?

– 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 Ti_1–xNi_xO_2–δ(B), Ti_1–xZr_xO₂(B), Ti_1–xZn_xO_2–δ(B), Ti_1–xMn_xO_2–y–δF_yN_z(B), Ti_1–xV_xO₂(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 Ti_0,96V_0,04O₂(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.

       Фото из личного архива Дениса ОПРЫ