Аспиранты Сколтеха Анатолий Морозов, Артем Гребенко, Наталья Каторова и Филипп Обрезков получили престижную премию Haldor Topsoe, одной из ведущих мировых компаний в области гетерогенного катализа.
Анатолий Морозов стал одним из пяти победителей и лауреатом стипендии 2020 года за синтез и исследование новых 4d-замещённых Li-обогащённых слоистых оксидов как катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Артем Гребенко, Наталья Каторова, Филипп Обрезков были отмечены специальной премией в номинациях «За высокий научный уровень», «За научную новизну», «За практическую значимость».
Программа аспирантских стипендий Haldor Topsoe учреждена основателем компании доктором Хальдором Топсе более 20 лет назад и направлена на поддержку молодых ученых, проводящих исследования в области гетерогенного катализа и в смежных областях материаловедения, связанных с деятельностью компании Топсе.
Мы поговорили с лауреатами и узнали, какие темы исследования были отмечены, каково их практическое применение и, безусловно, что значит эта награда для самих аспирантов.
Анатолий Морозов
аспирант программы «Науки о материалах» (Центр энергетических наук и технологий).
Моя работа посвящена улучшению катодных материалов нового поколения для литий-ионных аккумуляторов. Эти катодные материалы — источники ионов лития, необходимые для работы аккумулятора. Я работаю над новым поколением таких материалов на основе литий-обогащённых слоистых оксидов с дополнительным обогащением 4d-металламив. При этом, помимо практических аспектов, моя работа включает в себя изучение фундаментальных взаимосвязей между эволюцией кристаллической и электронной структур в процессе циклирования и деградации свойств таких материалов, что очень важно для долговременной работы аккумулятора. Новизна работы заключается в получении и изучении совершенно новых материалов, а также в применении новых методов их исследования, основанных на передовых техниках просвечивающей электронной микроскопии. Значимым здесь является то, что в ходе работы будут установлены фундаментальные механизмы процессов, происходящих в литий-обогащённых слоистых оксидах, с помощью чего в будущем может быть выработана стратегия по созданию передовых электродных материалов с высокой плотностью энергии для литий-ионных аккумуляторов.
На мой взгляд, создание высокоемких литий-ионных аккумуляторов, в том числе для нужд индустрии электромобилей, является одной из наиболее актуальных задач, стоящих перед учёными всего мира. Литий-обогащённые слоистые оксиды — перспективные кандидаты на роль катодных материалов будущего, при этом они имеют и свои недостатки. Я решил заниматься данной тематикой потому, что считаю, что результаты моей работы помогут выработать подходы для преодоления недостатков данных материалов и совершить качественный скачок в сфере электротранспорта.
Такие высокоемкие катодные материалы нужны для аккумуляторов электромобилей. Их внедрение позволит увеличить запас хода электромобиля и приблизить, а может и сделать его сопоставимым с автомобилями на ДВС. Однако литий-ионные аккумуляторы используются во всех сферах нашей жизни, поэтому новые высокоемкие материалы будут полезны для применения в портативной электронике, дронах или стационарных накопителях энергии для альтернативной энергетики.
В первую очередь, как и любая награда для учёного, эта награда означает признание моих научных достижений: победителей конкурса выбирает неангажированное международное жюри. Награда показала мне, что мои исследования имеют высокий уровень, а также вызывают интерес и уважение среди международного научного сообщества. Хочется отметить и стажировку в научно-исследовательской лаборатории Хальдора Топсе в Дании, благодаря которой у меня будет возможность не только посетить Данию как страну, но и познакомиться с датскими исследователями, их культурой, перенять полезный опыт.
Артём Гребенко
аспирант программы «Физика» (Центр фотоники и квантовых материалов)
Моя работа посвящена исследованию гетероструктур металл-органических каскадных структур (МОКС) и графена. В рамках этого исследования мною был разработал новый метод синтеза графена и поставлен синтез МОКС на базе лиганда под названием «гексамеркаптобензол». В предстоящем академическом году я собираюсь завершить изучение их свойств по отдельности и собрать первые комбинированные объекты (гетероструктуры), накладывая друг на друга слои МОКС и графена.
Основная новизна работы состоит в том, что это первое систематическое исследование свойств МОКС с фиксированным лигандом и создание 2D гетероструктур — таких органических материалов с графеном. Значимость заключается в поиске таких комбинаций, которые смогут раскрыть прикладной потенциал этих объектов. Проводящие прозрачные двумерные слои находят свое применение в микроэлектронике, различных оптических и газовых сенсорах. На данном этапе сложно предсказать точно, какие свойства могут быть у структур. Но, учитывая, что при смене лиганда получаемый МОКС переходит от состояния антиферромагнитного изолятора (в случае хрома) до сверхпроводника (в случае меди), можно утверждать, что это направление будет плодотворным для исследования.
Я убежден, что новые материалы изменят образ жизни людей. Так было с кремнием, так было с графеном. Причем ему ещё только предстоит «выстрелить» во всей красе. И это лишь два примера. Я получаю огромное наслаждение оттого, что привношу вклад в науку. О практическом применении пока сложно говорить однозначно. МОКСы уже показали себя неплохо в составе солнечных панелей, таких как катализаторы. Хотел бы найти их место в микроэлектронике в составе структур с графеном, например, в каналах транзисторов, сенсорах, болометрах. На самом деле, я мечтал заняться этой задачей с 2014-го года, когда ещё учился в магистратуре. И даже предпринял попытку это сделать, но «уткнулся» в нехватку оборудования и то, что «не вписываюсь» с этой задачей в цели и задачи тогдашней лаборатории. Придя в Сколтех, я смог реализовать свою идею.
Признание международной коммерческой компании Haldor Topsoe моей заявки на стипендию как Excellent proposal означает, что я делаю нечто интересное для индустрии. Думаю, что те ребята, которых выбрали победителями, фокусировались на непосредственном направлении деятельности компании — гетерогенном катализе. В моем случае это изготовление образцов. Гетерогенный катализ лежит в основе синтеза графена. Мне всегда казалось важным видеть практическую значимость своей деятельности, и такой отзыв придает мне уверенности и сил для дальнейшей работы.
Наталья Каторова
аспирантка программы «Науки о материалах» (Центр энергетических наук и технологий)
Моя работа посвящена разработке калий-ионных аккумуляторов. Мы даже с моей коллегой запустили свой стартап «К-Плюс», который сейчас получает большую поддержку от Сколтеха, нашего центра CEST и от наших научных руководителей и главных вдохновителей — профессоров Артема Михайловича Абакумова и Кита Стивенсона. Калий-ионные аккумуляторы могут стать очень экономически выгодной заменой современных литий-ионных аккумуляторов на рынке стационарного накопления энергии, например, для хранения электроэнергии, генерируемой солнечными панелями или ветряными электростанциями. Однако в калий-ионном аккумуляторе, как и в любом металл-ионном аккумуляторе, одним из ключевых факторов, определяющих конечные электрохимические характеристики, является пассивирующий слой, образующийся из продуктов разложения электролита на поверхности электродов. Поэтому в своей диссертационной работе я изучаю процессы, происходящие на границе раздела электрод-электролит в ходе работы аккумулятора, а также придумываю способы для улучшения качества образующегося пассивирующего слоя.
Мне всегда хотелось заниматься актуальными и важными для мирового сообщества задачами. А метал-ионные аккумуляторы в том или ином виде используется практически каждым человеком в современном мире. Кроме того, я всегда хотела работать в крутой и мотивирующей команде, которая меня вдохновляла бы и помогала бы развиваться. По совокупности этих факторов я и пришла к данной теме в нашей научной группе.
Все достигнутые к сегодняшнему дню результаты моей работы уже активно используются для сборки прототипов калий-ионных аккумуляторов в мягком корпусе. На данном этапе мы собрали прототипы с небольшой емкостью, достаточной только для работы светодиодов или маленьких электромоторчиков. Однако даже такие маленькие прототипы показывают, что разработанная технология работает и может быть успешно использована в будущем. Наша главная задача сейчас – это масштабирование. Мы планируем собирать большие прототипы аккумуляторов с емкостью вплоть до 10-50 Ач. И я верю, что однажды вы еще услышите о наших калий-ионных аккумуляторах!
Победа в таких конкурсах всегда означает признание научных результатов мировым научным сообществом. Это очень важно для любого исследователя: убедиться в том, что ты двигаешься в нужном направлении и твои результаты действительно важны и могут изменить нашу повседневную жизнь к лучшему. Поэтому я очень рада, что комитет программы стипендий Топсе выделил мою работу среди огромного числа поданных заявок.
Филипп Обрезков
аспирант программы «Науки о материалах» (Центр энергетических наук и технологий)
Моя диссертационная работа посвящена разработке новых катодных органических материалов для литиевых, натриевых и калиевых двухионных (dual-ion) аккумуляторов. Принципиальным отличием данного типа устройств от классических металл-ионных батарей является механизм их работы. При заряде двухионного аккумулятора происходит одновременный перенос катионов и анионов из раствора электролита к поверхностям анода и катода, что инициирует соответствующие электрохимические превращения. При разряде реализуется обратный процесс.
Особенностью данной технологии является возможность создания сверхбыстрых аккумуляторов, время зарядки которых составляло бы всего несколько секунд. Тем не менее, существующие на сегодняшний день решения не позволяют создать батарею с достаточно высокой удельной энергоемкостью. Разработка подходящего органического катодного материала потенциально может решить данную проблему.
Заниматься данной темой я начал почти 3 года назад, поскольку разработка новых аккумуляторов с улучшенными рабочими характеристиками, в частности удельной ёмкостью, мощностью и стабильностью работы, является одной из важнейших задач, стоящих перед современной электрохимией и материаловедением. При этом органические двухионные аккумуляторы – одна из наиболее перспективных технологий, развитие которой могло бы позволить серьёзно продвинуть исследования в данных областях.
Прежде всего, аккумуляторы данного типа могли бы быть использованы при создании стационарных устройств хранения энергии для запасания энергии на электростанциях во внепиковые часы.
Для меня большая честь получить награду в рамках программы аспирантских стипендий компании Haldor Topsoe, что свидетельствует как о высоком научном уровне моего проекта, так и о наличии интереса к нему со стороны индустрии.
