В вузе создают новые топливные элементы и каталитические материалы

10:15, 23 января 2019

Исследователи добились управляемого получения наноразмерных сложных оксидов в реакциях горения

Полимерно-солевые композиции способны гореть, генерировать заряды и давать в результате сложные оксиды с заданными свойствами. Фото: из личного архива Александра Остроушко

Созданию топливных элементов нового поколения посвящены научные исследования ученых Уральского федерального университета. Работы направлены на изучение нового эффекта, открытого руководителем научного коллектива, главным научным сотрудником отдела химического материаловедения института естественных наук и математики УрФУ Александром Остроушко, — явления генерирования электрических зарядов высокой плотности в реакционной среде при синтезе сложнооксидных материалов в реакциях горения органо-неорганических систем. Проект поддержан Российским фондом фундаментальных исследований.

Получение наноразмерных сложных оксидов в реакциях горения (аналог самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) — один из удобных, универсальных и повсеместно используемых методов. Вместе с тем реально существующий эффект термохимического генерирования зарядов в прекурсорах не был известен ученым. По словам руководителя проекта, сделать предположение о его существовании позволил, казалось бы, не очень удачный эксперимент с полимерсодержащей композицией в стенах швейцарского института Пауля Шеррера, когда облако продуктов синтеза буквально воспарило над реакционным сосудом.

«Можно было, конечно, не обратить внимания на „досадное“ происшествие, но пытливый ум и естественно-научная любознательность, привитая нам нашими учителями, не дали этого сделать, — говорит Остроушко. — В результате новых специально продуманных опытов стала понятна причина полученного эффекта — частицы отталкиваются друг от друга под действием мощных одноименных зарядов. Справедливости ради следует отметить, что наличие заряженных частиц как таковых в среде пламени при высокой температуре известно достаточно давно».

Электронная микроскопия дала возможность ученым понять, что в системах, где возникают заряды большой плотности, наночастицы оказываются связанными друг с другом слабо. Такой сложный оксид при изготовлении из него функциональной керамики или покрытия интенсивно спекается при значительно более низкой температуре, чем сложный оксид после синтеза с относительно низкими зарядами.

«Все это позволяет легко и изящно управлять процессами формирования керамики, изготавливать за один цикл композиции со слоями разного состава (например, электрод и кислородпроводящая мембрана топливного элемента), „подгоняя“ температуры спекания компонентов друг к другу, — отмечает ученый. — По предварительной оценке, усовершенствование и упрощение технологии позволяет снизить себестоимость продукции, по крайней мере, на 30-40 %, повысить выход кондиционных изделий, предотвращая растрескивание слоев планарных или аксиальных сложнооксидных композиций. С использованием нового метода целенаправленного регулирования свойств сложных оксидов можно получать каталитические покрытия, устойчивые к воздействию высоких температур, и массу других полезных веществ».

Помимо сознания новых источников тока — топливных элементов, результаты такой работы в будущем могут быть использованы при создании каталитических, магнитных, сверхпроводящих и сенсорных материалов. По мнению экспертов, ученые УрФУ при выполнении научных исследований в данной сфере являются во многом первопроходцами. Работа коллектива направлена на углубленное фундаментальное изучение явления генерирования зарядов, поиск новых закономерностей и возможностей его практического применения.