Наука / Важнейшие результаты

2025 год

Каталитический мембранный реактор для получения этилена

О.В. Черендина, Е.В. Шубникова, М.О. Хохлова, Р.Д. Гуськов, М.В. Арапова, О.А. Брагина, А.П. Немудрый

Разработаны новые стабильные двухфазные материалы на основе феррита стронция, допированного молибденом, и оксида церия, стабилизированного гадолинием, для использования в каталитическом мембранном реакторе окислительного дегидрирования этана в этилен.

Предложен новый способ нагрева мембраны переменным током, который позволяет получать этилен в каталитическом мембранном реакторе с селективностью более 90% за счет подавления реакций полного окисления и пиролиза на горячих частях установки.

Ключевое преимущество технологии:
возможность использования диоксида углерода в качестве источника кислорода на питающей стороне мембраны, что делает процесс безопаснее за счёт отказа от применения взрывоопасных газовых смесей.

Фотография рабочей мембраны при нагреве током при Т=890°С

Температурная зависимость конверсии этана и селективности по этилену для мембран SFM5-20GDC в градиенте воздух/этан и CO₂/N₂/этан.

Публикация:
Cherendina O.V., Shubnikova Е.V., Khokhlova М.О., Guskov R.D., Arapova M.V., Bragina O.A., Jiang H., He G., Nemudry A.P. Performance and oxygen transport in dual-phase SrFe_0.95Mo_0.05O_3-δ-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ hollow fiber membranes for catalytic membrane reactors // Journal of European Ceramic Society. 2025. Vol. 45, No. 13. Art. 117520. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117520.

Высокоэнтропийные оксиды/оксифториды - новые электродные материалы для литий-ионных аккумуляторов

О.А. Подгорнова, Н.В. Косова

С помощью механохимического синтеза (SS) и методом соосаждения (CP) получены мультикатионные высокоэнтропийные оксиды (Co_0,2Cu_0,2Mg_0,2Ni_0,2Zn_0,2)O и оксифториды Li_0,5(Co_0,2Cu_0,2Mg_0,2Ni_0,2Zn_0,2)_1,5O_1,5F_0,5 со структурой каменной соли.

Показано, что оксифториды с 0≤х≤0,5 отличаются однофазностью и высокими значениями емкости, в несколько раз превосходящими емкость известных материалов. Данные материалы относятся к новому классу высокоэнтропийных электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов, в которых отсутствуют каналы для диффузии ионов лития. Способность диффундировать ионов щелочных металлов в таких разупорядоченных материалах связана с перколяцией определенных типов диффузионных каналов.

Синтез и исследование структурных и электрохимических свойств данных материалов, обладающих высокой разрядной емкостью, стало значительным шагом в создании электродных материалов для литий-ионных аккумуляторов.

Зарядно-разрядные емкости HEP-SS, HEO-CP, Li_0,5HEO_1,5F_0,5-SS и Li_0,5HEO_1,5F_0,5-CP в зависимости от номера цикла.

Публикация:
O.A. Podgornova, N.V. Kosova. Multi-anionic and multi-cationic high-entropy oxides as electrode materials for lithium-ion batteries // J. Power Sources. 2025. V. 633. P. 236463. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2025.236463.

Изменение структурно-морфологических характеристик микрокристаллов алмаза в процессе модификации их поверхности

Б.Б. Бохонов, Д.В. Дудина, И.С. Батраев, М.Р. Шарафутдинов

Изучено изменение морфологии плоскогранных и кривогранных микрокристаллов алмаза в процессе вакуумного отжига при 1800 ºC. Показано, что образование графита при отжиге плоскогранных кристаллов алмаза начинается на их ребрах и происходит упорядоченно: параллельно отдельным граням алмаза или под определенным углом к ним. В отличие от плоскогранных кристаллов, образование графита при отжиге кривогранных кристаллов природного алмаза начинается одновременно по всей поверхности. Во всех случаях образующийся графит имеет ориентационное соответствие с кристаллом алмаза. Полученные нанослои графита на поверхности алмаза могут обладать необычными физико-химическим свойствами (структурой, электронными свойствами, каталитической активностью и т.д.). Методом электроискрового спекания получены композитные материалы, состоящие из металлической основы и внедренных частиц алмаза. Разработан метод нанесения графеновых покрытий на поверхности алмаза. Такие гибридные материалы демонстрируют высокую прочность и электрическую проводимость.

Электронные микрофотографии монокристалла

исходный плоскогранный алмаз

кристалл после вакуумного отжига при 1800°С

Электронные микрофотографии кривогранных микрокристаллов природного алмаза

до графитизации

после графитизации

Публикация:
Bokhonov B.B., Batraev I.S., Dudina D.V., Sharafutdinov M.R. Graphitization of natural diamond crystals: a morphological study // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2025. V. 133. Art. 107346. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2025.107346

Термические свойства и ионная проводимость тетрафторборатов замещённого аммония

И.А. Стебницкий, Ю.Г. Матейшина, Н.Ф. Уваров

Изучена взаимосвязь между термическими свойствами, ионной проводимостью, размером и симметрией катионов в двух сериях тетрафторборатов замещённого аммония: (C_nH_2n+1)₄NBF₄ (n = 1−6) и (C₄H₉)_4−y(CH3)_yNBF₄ (y = 0−2). Показано, что соединения с низкосимметричными катионами с протяженными алкильными цепями (например, (C₄H₉)₂(СН₃)₂NBF₄) характеризуются наиболее широким диапазоном существования пластической фазы (19−128 °C). Наиболее высокой ионной проводимостью обладают высокотемпературные фазы солей с асимметричными заместителями (3,5 × 10−7 См/см при 100 °C для соединения (C₄H₉)₂(СН₃)₂NBF₄). В соединениях с симметричными катионами проводимость зависит от длины цепи заместителя и достигает максимума 4,0 × 10−8 См/см при 100 °C для (C₄H₉))₄NBF₄. Оба соединения обладают высокой электрохимической стабильностью в диапазоне 4,7−5,2 В. Выявленные в работе закономерности позволяют провести целенаправленный отбор материалов с улучшенными физико-химическими свойствами, в частности, с высокой ионной проводимостью.

Температурные зависимости проводимости солей замещенного аммония с симметричными (слева)
и асимметричными заместителями (справа).

Публикация:
Stebnitskii I., Mateyshina Yu., Chuikov I., Uvarov N. Effect of cation size and symmetry in substituted ammonium tetrafluoroborates on their thermal, structural, and transport properties // Journal of Physical Chemistry C. 2025. Vol. 129, No. 36. P. 16380–16387. DOI: 10.1021/acs.jpcc.5c04256

Механохимический подход к получению наноструктурированных металломатричных композитов

Т.М. Видюк, Д.В. Дудина, Т.Ф. Григорьева, Е.Т. Девяткина, С.В. Восьмериков, А.В. Ухина, С.А. Ковалева, Н.З. Ляхов

Разработан механохимический in situ подход к получению металл-керамических композитов. Показано, что консолидация металл-керамического механокомпозита 50Ni/50TiC методом быстрого спекания при 1100 °С приводит к получению материала с размерами кристаллитов Ni ~86 нм и TiC ~95 нм. Микроструктура и элементные карты спеченного механокомпозита свидетельствуют о равномерном распределении TiC в никелевой матрице. Относительная плотность металл-керамического материала составляет 99%, твердость по Виккерсу - 980±30 HV1. Разработанный подход позволяет снять основные проблемы традиционных методов порошковой металлургии, связанные с несплошностью межфазной поверхности металл/керамика и неравномерностью распределения керамических частиц в металлической матрице. Такие материалы перспективны для использования в тех отраслях, где необходима высокая твердость, износостойкость, электро- и теплопроводность: электроприборостроение (в том числе авиа- и автомобилестроение), токовые коллекторы электрохимических устройств и т.д.

На примере системы 50 мас.% Ni‒Ti‒C показана равномерность распределения высокодисперсного карбида титана, образующегося в матрице никеля.

Публикация:
T.M. Vidyuk, D.V. Dudina, T.F. Grigoreva, E.T. Devyatkina, S.V. Vosmerikov, A.V. Ukhina, S.A. Kovaleva, N.Z. Lyakhov. Spark plasma sintering of high-energy ball milled Ti-C-Ni powder composites // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. 2025. V. 128. 107035. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2024.107035

Композиционные твердые электролиты с добавкой высокодисперсных алмазов

И.А. Стебницкий, Ю.Г. Матейшина, Н.Ф. Уваров

В ИХТТМ СО РАН впервые синтезированы композиционные твердые электролиты на основе замещенной аммониевой соли (CH₃))₄NBF₄ с добавкой высокодисперсных наноалмазов (C_ND) с удельной поверхностью Sуд = 300 ± 20 м²/г в широком диапазоне концентраций наполнителя. Показано, что наибольшими значениями электропроводности характеризуется композит 0,03(CH₃))₄NBF₄ – 0,97C_ND (σ = 4,2∙10–3 См/см при 300 °C), электропроводность которого на 3–4 порядка выше, чем у исходной соли. Моделирование концентрационной зависимости электропроводности композитов с использованием уравнения смешения показало, что причиной увеличения электропроводности является образование аморфного солевого слоя толщиной около 5 нм, электропроводность которого на 4–5 порядков выше, чем у кристаллической фазы (CH₃))₄NBF₄. Сравнительный анализ показал, что композиты (CH₃))₄NBF₄ - C_ND обладают наиболее высокой ионной проводимостью в ряду аналогичных систем, полученных на основе других четвертичных солей.

Температурные зависимости проводимости композитов ((CH3))4NBF4-CND

Cравнительный график, представляющий концентрационные зависимости проводимости различных композитов с добавкой наноалмазов.

Публикация:
Stebnitskii I., Mateyshina Yu., Uvarov N. Transport and structural properties of (СН3)4NBF4 with nanodiamonds filler // Chimica Techno Acta. 2025. V. 12(2). No. 12209. DOI: 10.15826/chimtech.2025.12.2.09.

Получение наноразмерного дигидрофосфата цезия для тонкопленочных полимерных мембран

Д.О. Дормидонова, И.Н. Багрянцева, В.В. Пономарева, Б.Б. Бохонов

Разработан эффективный и масштабируемый подход для синтеза субмикронных частиц дигидрофосфата цезия с использованием бисерного измельчения. Кристаллическая структура CsH₂PO₄ остается неизменной, несмотря на уменьшение размера частиц вплоть до 100–200 нм при протонной проводимости 2•10^-2 См/см при 240°С. Показано дальнейшее снижение размера частиц соли, нанесенной на электрокатализатор из наночастиц платины на углероде CsH₂PO₄ - PM-40 (Pt 40% мас. Vulkan, ООО “Прометей”). Синтезированные наночастицы соли могут быть использованы как для синтеза тонкопленочных полимерных мембран, так и для получения электродных материалов среднетемпературных топливных элементов, приводя к росту трехфазной границы, снижению поляризационных потерь на электродах и увеличению мощности ТЭ.

Данные СЭМ синтезированного CsH₂PO₄ (a), CsH₂PO₄ после обработки в бисерной мельнице (b, c)
и распределение частиц по размерам (d) электродной композиции CsH₂PO₄ - PM-40 (Pt/C).

Публикация:
Dormidonova D.O., Bagryantseva I.N., Ponomareva V.G., Bokhonov B.B. Synthesis of nanoscale cesium dihydrogen phosphate particles via bead milling for advanced electrode composites // Membranes and Membrane Technologies. 2025. Vol. 7, No. 2. Р. 104–111. DOI: 10.1134/S2517751625600578

Получение гексаборида лантана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для использования в ускорительной технике

А.А. Жданок, Л.К. Бердникова, З.А. Коротаева, Б.П. Толочко, Д.А. Краснов, В.А. Кузнецов, М.А. Михайленко

Методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием механической активации шихты La₂O₃-B-Mg получен гексаборид лантана. Подобрано оптимальное количественное соотношение компонентов, мас.%: La₂O₃ – 43,5, B – 37,3, Mg – 19,2, при котором обеспечивается наиболее полное протекание реакции горения. Экспериментально подобран режим промывки СВС-продукта, обеспечивающий получение монофазного целевого продукта. Методом горячего прессования получены образцы керамических материалов плотностью 3,47 г/см². Показана зависимость плотности образцов от метода спекания и наличия добавки порошка никеля в шихте в качестве активирующей присадки. Получение монофазного LaB₆ является важным этапом при создании керамики с высокими механическими и эмиссионными свойствами для использования в качестве катодного материала в ускорительной технике.

Данные рентгено-флуоресцентного анализа СВС-продукта, полученного из шихты оптимального состава с последующей промывкой: а – электронная микрофотография; б – картированный состав;
распределение по выделенной линии сигнала: в – лантана, г – магния.

Публикация:
Zhdanok A.A., Berdnikova L.K., Korotaeva Z.A., Tolochko B.P., Krasnov D.A., Kuznetsov V.A., Mikhaylenko M.A. Preparation of lanthanum hexaboride by self-propagating high-temperature synthesis for use in accelerator technology // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2025. Vol. 89, No. 9. P. 1420–1426.

Получение алюмоматричных композитов, армированных многостенными углеродными нанотрубками

И.Г. Ширинкина, И.Г. Бродова, В.В. Астафьев, Б.П. Толочко, В.А. Кузнецов, А.А. Жданок, З.А. Коротаева, С.В. Разоренов, А.С. Савиных, Г.В. Гаркушин, Е.В. Шорохов

Получены алюмоматричные композиты, армированные многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ) в литом состоянии путем введения в расплав алюминия порошков разных составов, содержащих МУНТ, металлы Cu и/или Mg, а также керамические частицы SiC. Установлено, что состав порошка влияет на эффект модифицирования структуры алюмоматричных композитов. Наиболее дисперсную структуру (размер зерна 200 мкм) имеют композиты, упрочненные МУНТ с микродобавкой Mg. Впервые проведены эксперименты по нагружению алюмоматричных композитов плоскими ударными волнами. Показано, что с увеличением скорости деформации наблюдается постепенный рост предела текучести композитов до 100 МПа.

Макроструктура композитов: а) AlМУНТ(Mg); б) AlМУНТ(SiC/Cu).

Зависимость условного предела текучести композита AlМУНТ(Mg) и Al от скорости деформации έ (с-1)

Упрочняющий эффект МУНТ сильнее проявляется при повышенных скоростях деформации и достигает 60% при максимальной скорости деформации. Полученные материалы с улучшенными физико-механическими свойствами являются перспективными для различных отраслей современной промышленности.

Совместно с ФГБУН Институтом физики металлов УрО РАН

Публикация:
Ширинкина И.Г., Бродова И.Г., Астафьев В.В., Толочко Б.П., Кузнецов В.А., Жданок А.А., Коротаева З.А., Разоренов С.В., Савиных А.С., Гаркушин Г.В., Шорохов Е.В. Исследование структуры и свойств алюмоматричных композитов на основе технического алюминия, упрочненных многостенными углеродными нанотрубками // Физика металлов и металловедение. 2025. Т. 126. № 5. С. 629-640. DOI: 10.31857/S0015323025050126

Влияние содержания натрия на диффузию натрия в высокоэнтропийном слоистом оксиде Na_xTi_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2O₂

Д.З. Цыдыпылов, А.Б. Слободюк, М.А. Кирсанова, Н.В. Косова

Исследована серия высокоэнтропийных твердых растворов Na_xTi_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2O₂ (х=1.0, 1.1, 1.2) со слоистой структурой в качестве анодных материалов, полученных методом твердофазного синтеза с использованием механической активации. Обнаружено, что с увеличением содержания натрия соотношение параметров решетки a/c увеличивается, а расстояние между слоями уменьшается, что отрицательно влияет на коэффициент диффузии ионов натрия. NaTi_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2O₂ без избытка натрия демонстрирует наименьшее изменение коэффициента диффузии Na+ и сопротивления переносу заряда в процессе циклирования, что свидетельствует об улучшенной кинетике во время фазового перехода O3-P3, в то время как образцы с избытком натрия показывают большее изменение коэффициента диффузии Na+ и увеличенное сопротивление переносу заряда. В результате, материал состава NaTi_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2O₂ демонстрирует улучшенные электрохимические характеристики по сравнению с образцами с избытком Na благодаря лучшей диффузии ионов натрия, особенно при повышенных температурах.

Дифрактограммы полученных образцов Na_1+xTi_0.2Mn_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2O₂
с x=1.0 (a), x=1.1 (b), x=1.2 (c) и соотношение параметра решетки a/c к избытку Na.

Работа выполнена совместно с Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН и Международным научно-производственным холдингом «Фитохимия» (Республика Казахстан).

Публикация:
Tsydypylov D.Z., Shindrov A.A., Kosova N.V. Electrochemical performance of the series of Fe_xTi_2-2xNb_10+xO₂₉ solid solutions as anodes for lithium-ion batteries // J. Solid State Electrochemistry. 2025. Vol. 29, Iss. 11. P.4903-4915. DOI: 10.1007/s10008-025-06344-8.

Влияние соотношения солей NaClO₄/NaPF₆ на структуру, механические и проводящие свойства твердого полимерного электролита PEO:(NaClO₄)_1−x(NaPF₆)_x

А.А. Шиндров, А.В. Уткин, Д.П. Пищчур, Д.З. Цыдыпылов

Показано, что соотношение солей NaClO₄/NaPF₆ может изменять фазовый состав, термическое поведение, локальную структуру, механические и проводящие свойства. Увеличение содержания NaPF₆ приводит к образованию дополнительной кристаллической фазы, PEO–NaPF₆, которая, согласно данным ИК-спектроскопии, влияет на количество свободных носителей заряда. Наблюдалось нелинейное изменение электропроводности твердого полимерного электролита PEO_12,5:(NaClO₄)_1−x(NaPF₆)_x. Для композиций с x < 0,5 изменение электропроводности было незначительным. При x > 0,5 наблюдалось постепенное снижение проводимости. Показано, что увеличение кристаллической составляющей SPE приводит к значительному улучшению механических свойств SPE. Изучение SPE с различным соотношением солей позволило определить диапазон, в котором наблюдается значительное повышение механической прочности SPE без потери проводимости, что в дальнейшем позволит внести вклад в развитие твердотельных аккумуляторов.

Сравнение механических и проводящих свойств в зависимости от соотношения солей NaClO₄/NaPF₆

Публикация:
Shindrov A.A., Utkin A.V., Pishchur D.P., Tsydypylov D.Z. Impact of the NaClO₄/NaPF₆ salt ratio on the structure, mechanical and conductive properties of the PEO:(NaClO₄)_1−x(NaPF₆)_x solid polymer electrolyte // Polym. Chem. 2025. Vol. 16, No. 34. P. 3849-3856. https://doi.org/10.1039/D5PY00414D

Использование модифицированного полимерного полиуретанового эластомера в качестве твердого электролита для суперконденсаторов

Н.А. Фёдоров, О.А. Подгорнова, А.C. Улихин, Н.Ф. Уваров

Исследованы электрохимические свойства ячейки с углеродными высокопористыми электродами и твердым полимерным электролитом на основе полиуретанового эластомера, наполненного раствором органической соли N,N-метил-пропил-пиперидиния в N-метил-2-пирролидоне. Методами циклической вольтамперометрии (ЦВА) в диапазоне напряжений от –4.5 до 4.5 В и гальваностатического заряда-разряда определены значения удельной емкости электродного материала в контакте с полимерным электролитом, которые превышают 45 Ф/г. Таким образом, впервые показано, что полиуретановый эластомер, содержащий раствор органической соли, может быть использован для создания полимерных суперконденсаторов.

Кривые ЦВА, полученные при различных скоростях развертки напряжения, (а)
и кривые гальваностатического заряда/разряда, полученные при различных значениях тока, (б)
для ячейки Ti₃C₂/AC//ПУ-ПФЛ100//Ti₃C₂/AC с полимерным электролитом.

Публикация:
Фёдоров Н.А., Подгорнова О.А., Улихин А.C., Уваров Н.Ф. Использование модифицированного полимерного полиуретанового эластомера в качестве твердого электролита для суперконденсаторов // Химия в интересах устойчивого развития. 2025. Т. 33, № 2. С. 157–162 DOI: 10.15372/KhUR2025638