ИСТИНА

Разработка комплекса комплементарных методик и электрохимических ячеек для экспериментальных исследований состава и структуры электрохимических интерфейсов и протекающих на них процессов, включая формирование двойного электрического слоя, электрохимическую интеркаляцию и перенос электрона через межфазную границу.

The overall goal of the project is to contribute to better understanding of the processes at electrochemical interfaces towards sustainable, efficient and environmentally friendly operation of electrochemical systems including supercapacitors, batteries with metal and intercalation-type electrodes, metal-air batteries, water splitting systems and fuel cells.

В ходе выполнения проекта будет разработан подход для комплексного исследования процессов на гетерограницах «электрод-электролит» в процессе функционирования различных электрохимических устройств (суперкондесаторов, аккумуляторов с металлическими и интеркалляционными электродами, металл-воздушных аккумуляторов, электролизеров и топливных элементов) c применением источников синхротронного излучения и нейтронов на базе ускорителей и источников нейтронного излучения. При помощи комплекса методов, реализованных в условия функционирования модельных электрохимических устройств, будет оценена возможность получения уникальной информации о различных уровнях структурных преобразований и химических превращениях на электрохимических гетерограницах. Будут разработаны методики таких исследований, опробованы для ряда современных электрохимических систем, будет продемонстрирована их комплиментарность, которая обусловлена различной информативностью предлагаемых методов, различной степенью локальности получаемого сигнала и возможностями временного разрешения. На первом этапе будут разработаны и изготовлены модельные электрохимические ячейки для operando исследований следующими методами: (1) рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, которая позволяет определять изменение химического состава и зарядового состояния атомов, (2) рентгеновская спектроскопии поглощения, которая также чувствительна к химическим реакциям, с использованием мягкого рентгеновского излучения с различными системами детектирования сигнала (по эмиссии электронов, по флуоресценции), а также (3) спектроскопии поглощения использованием жесткого рентгеновского излучения, при этом анализ тонкой структуры позволяет определять локальную структуру каждого вида атомов, (4) высокоразрешающая рентгеновская флуоресцентная спектроскопия для определения электронного состояния легких (С, O, F) и средних (Al, P, S, Cl) атомов в составе материала электродов, (5) нейтронная рефлектометрия, которая чувствительна к наличию гетерогорганиц и изменению их морфологии и, в отличие от рентгеновского аналога, обладает высокой чувствительностью к легким элементам, (6) метода гетороядерных корреляций в ЯМР-спектроскопии, который позволяет отследить динамику атомов на интерфейсе и их локальное окружение. Разработанные методики будут апробированы для трех классов фундаментальных электрохимических явлений: (1) образования двойного электрического слоя (2) переноса ионов через гетерограницу, (3) перенос электронов через гетерограницу, что отслеживается по изменению степеней окисления атомов на интерфейсе.

Группа имеет необходимый задел, что подтверждается следующими публикациями: 1.N.R. Khasanova, A.N. Gavrilov, E.V. Antipov, K.G. Bramnik, H.Hibst, Structural transformation of Li2CoPO4F upon Li-deintercalation. Journal of Power Sources 196, pp. 355 (2011) 2.J. Hadermann, A.M. Abakumov, S. Turner, Z. Hafideddine, N.R. Khasanova, E.V. Antipov, G. Van Tendeloo, Solving the Structure of Li Ion Battery Materials with Precession Electron Diffraction : Application to Li2CoPO4F. Chemistry of Materials 23, 3540 (2011) 3.Semenenko, D. A. et al. LixV2O5 nanobelts for high capacity lithium-ion battery cathodes. Electrochemistry Communications 12, 1154–1157 (2010). 4.Semenenko, D. A., Kozmenkova, A. Y., Itkis, D. M., Goodilin, E. A., Kulova, T. L., Skundin, A. M., & Tretyakov, Y. D. Growth of thin vanadia nanobelts with improved lithium storage capacity in hydrothermally aged vanadia gels. CrystEngComm 14, 1561 (2012) 5.Krivchenko, V. A. et al. Carbon nanowalls decorated with silicon for lithium-ion batteries. Carbon 50, 1438– 1442 (2012). 6.D.M. Itkis, D.A. Semenenko, E.Y. Kataev, A.I. Belova, V.S. Neudachina, A.P. Sirotina, M. Hävecker, D. Teschner, A. Knop-Gericke, P. Dudin, A. Barinov, E.A. Goodilin, Y. Shao-Horn and L.V. Yashina, Reactivity of carbon in lithium-oxygen battery positive electrodes. Nano letters 13, 4697–4701 (2013). 7.T.K. Zakharchenko, A.Y. Kozmenkova, D.M. Itkis, E.A. Goodilin, Beilstein J. Nanotechnol. 4, 758–762 (2013).

1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках научных исследований. 2 Патентные исследования, патентные заявки. 3 Прототип электрохимической ячейки с графеновым электродом для in situ исследования интерфейсов методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на мягком рентгеновском излучении и спектроскопии края поглощения рентгеновского излучения. 4 Прототип электрохимической ячейки для in situ исследования интерфейсов методом нейтронной рефлектометрии. 5 Методика in situ исследования состава и структуры двойного электрического слоя методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии на мягком рентгеновском излучении и спектроскопии края поглощения рентгеновского излучения. 6 Методика in situ исследования структуры двойного электрического слоя методом нейтронной рефлектометрии. 7 Методика in situ исследования процессов образования пассивирующих слоев на электродах методом спектроскопии края поглощения рентгеновского излучения. 8 Методика in situ исследования процессов образования пассивирующих слоев на электродах нейтронными методами. 9 Методика in situ исследования процессов осаждения металлического лития методом нейтронной рефлектометрии. 10 Методика in situ исследования процессов восстановления/выделения кислорода методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. 11 Методика in situ исследования электрохимических интерфейсов методом рентгеноской фотоэлектронной спектроскопии на жестком рентгеновском излучении. 12 Методический подход к комплекному in situ исследованию состава и структуры двойного электрического слоя на электродах различной природы 13 Методический подход к комплекному in situ исследованию процессов образования пассивирующих слоев на электродах литий-ионных аккумуляторов 14 Методический подход к комплекному in situ исследованию процессов электроосаждения металлического лития на электродах литий-металлических аккумуляторов 15 Методический подход к комплекному in situ исследованию процессов электрохимического восстановления/выделения кислорода 16 Предложения и рекомендации по использованию разработанного научно-технического задела для исследования и совершенствования современных электрохимических устройств для накопления и преобразования энергии, включая суперконденсаторы, литий-ионные аккумуляторы, литий-металлические системы (литий-воздушные и литий-серные аккумуляторы), топливные элементы. Иностранными партнерами - Technische Universität Bergakademie Freiberg (Технический Университет – Горная Академия Фрайберг) (г. Фрайберг, Германия), Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion(Институт преобразования химической энергии Макса Планка ) (г. Мульхайм, Германия) и Fritz Haber Institute of the Max Planck Society (Иститут Фритц Хабера Сообщества Макса Планка) (г. Берлин, Германия) будут получены следующие результаты: 1 Прототип экспериментальной установки для in situ исследования работающих электрохимических ячеек методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса. 2 Методика in situ исследования электрохимических интерфейсов методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса с гетероядерными корреляциями 3 Методика in situ исследования процессов, протекающих вблизи интерфейсов интеркаляционных электродов, методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса 4 Прототип электрохимичсеких ячеек для проведения in situ исследований электрохимичсеких интерфейсов с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии тонкой структуры края рентгеновского поглощения с применением жесткого рентгеновского излучения (0.8 кэВ - 8 кэВ), а также твердотельной спектроскопии ядерного магнитного резонанса. 5 Методика исследования состава и структуры электрохимических интерфесов, а также их эволюции в процессах: а) формирования двойного электрического слоя, б) электрохимичсекой интеркаляции ионов, в) гетерогенного электронного трансфера.