ИСТИНА

Проект направлен на исследование стабильности минералоподобных соединений на основе марганца в растворе электролита при реальных режимах функционирования электрохимических устройств с щелочным электролитом. Предполагается получение электродных материалов со структурами бирнессита, биксбиита, браунита, а также ряда фосфатных соединений марганца со структурами группы алюодита. Выбор минералов-аналогов определяется их формированием в условиях, родственных условиям функционирования целевых электродных материалов. Для обеспечения оптимальной дисперсности, морфологии и контакта с подложкой будут использоваться различные приемы электрохимического и химического синтеза, в том числе с получением материалов непосредственно на поверхности дисперсных углеродных связующих. Результаты исследования термодинамических свойств систем (минералоподобный материал)/раствор в интервале рН 13 – 16, а также кинетики деградации материалов в таких растворах при разных потенциалах будут обобщены и использованы для прогнозирования стабильности простых и анионзамещенных оксидов с разной средней степенью окисления марганца. В проекте акцентируются функциональные свойства материалов, востребованные при разработке электродов суперконденсаторов и щелочных топливных элементов.

This project addresses the stability of the mineral-like manganese-based compounds in alkaline solutions under operational modes typical for electrochemical power sources. We plan to fabricate the oxide materials with birnessite, bixbyite, and braunite structures, and also manganese phosphates with alluaudite-type structures. These minerals were chosen as the prototypes because their formation takes place under conditions relative to operation conditions of the electrode materials. To provide the optimized dispersion, morphology and material-support contact, we apply various techniques of electrochemical and chemical synthesis, including the formation of material directly at the surface of dispersed carbon binder. We are going to generalize our experimental data on thermodynamics of (mineral-like material)/solution for pH 13 – 16 interval, and also the data on degradation kinetics. This generalization will be applied to predict the stability of oxides and anion-substituted oxides with various mean oxidation degree of manganese. The project accents the functional characteristics of materials related to supercapacitors and alkaline fuel cells.

В ходе проекта ожидается получение двух групп результатов. 1. Сравнительная характеристика деградации в щелочном растворе для различных минералоподобных материалов на основе марганца (термодинамическая стабильность, кинетика деградации, продукты деградации; интервалы потенциалов, обеспечивающие стабильность). 2. Реализация методов синтеза высокодисперсных минералоподобных материалов на основе марганца. Первый год проекта является решающим для сужения круга перспективных материалов и рациональной организации последующей работы. Для бирнессита и биксбиита, к которым относится имеющийся задел, данные по стабильности будут получены в полном объеме. Для браунита и алюодита будет акцентироваться синтетическая часть работы, для браунита будет проведена первичная оценка стабильности. В ходе первого годового этапа проекта ожидается получение следующих результатов. 1. Сравнительный анализ стабильности электроосажденного бирнессита, полученного при разных потенциалах и на разных подложках, заключение об оптимальных условиях электроосаждения для создания обратимо перезаряжаемых бирнесситных электродов. 2. Создание хорошо охарактеризованных биксбиитных электродных материалов с упорядоченной морфологией и определенной кристаллографической ориентацией поверхности, демонстрация их преимуществ перед исследованными ранее морфологически неоднородными материалами со структурой биксбиита. 3. Оценка перспектив электродных материалов на основе Mn7SiO12. 4. Оценка перспектив синтеза высокодисперсных сложных фосфатов со структурами минералов группы алюодита.

Электросинтезу оксидов был ранее посвящен ряд работ. В ходе анодной электрокристаллизации оксидов марганца был получен ряд кристаллических безводных материалов. На основе проведенных экспериментов были развиты модельные представления о кинетике нестационарной нуклеации оксидов и о термодинамике систем нестехиометрический оксид/раствор. Проведено последовательное исследование зависимости кинетики реакции восстановления кислорода в щелочной среде от кристаллической структуры оксидов на основе марганца. Проводилось электроосаждение гидратированных нестехиометрических оксидов марганца. По общей постановке эксперимента и направленности его интерпретации этот цикл наиболее близок к замыслу настоящего проекта, так как в нем акцентировалась связь стабильности электроосажденных оксидов с составом молекулярных прекурсоров в растворе осаждения и с электрохимическими режимами, причем исследовались преимущественно перезаряжаемые оксиды. Получен ряд новых, ранее неизвестных сложных оксидов d- металлов, определена их кристаллическая структура и свойства, важные для практического использования в качестве материалов в различных электрохимических устройствах, включая твердооксидный топливный элемент.