| 19. |
Аннотация |
Работы выполняются в соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 01.12.2016 № 642 «О стратегии научно-технологического развития Российской Федерации», пп. 15, б и 20 ,б, е; Указом Президента РФ от 5 марта 2020 г. N 164 "Об основах государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года", Распоряжением Правительства Российской Федерации от 12.10.2020, утвердившим План мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской Федерации до 2024 года». Концепция автономной изолированной энергетической системы ("интеллектуальной") для арктических условий заключается в создании системно-интегрированного и самоуправляемого в режиме реального времени комплекса оборудования, который имеет единую сетевую инфраструктуру, технологически и информационно связывающую все генерирующие источники энергии и всех потребителей. Переход к "интеллектуальной" энергетической системе невозможен без материалов 3-го поколения, предназначенных для изделий климатического исполнения ХЛ и созданных на основе достижений наукоемких технологий, – так называемых "умных", или интеллектуальных материалов, свойства которых изменяются при воздействии каких-либо внешних факторов. Для успешного развития химической энергетики необходима разработка новых композиционных материалов.
Для достижения цели исследований, связанных с совершенствованием свойств материалов для ТПТЭ и ТОТЭ используется единый научный и технологический подход, использующий методы жидкофазного синтеза порошков и покрытий (золь-гель синтез, лакокрасочная технология, химические методы соосаждения и совместной кристаллизации, электрохимическое осаждение), разрабатываются научные основы ресурсо- и энергосберегающих технологий (керамическая технология на основе нанопорошков). На этапе 2023 года планируется решить следующие научные и научно-технические задачи: (1) Разработать многокомпонентные каталитические материалы на основе моно- и биме- таллических наночастиц переходных металлов (Pt, Pd, Ag) и гибридный электролитический материал на основе модифицированного поливинилового спирта, допированного аминосульфоновой кислотой, для электродов и электролита низкотемпературного водородно-воздушного ТПТЭ. (2) С использованием жидкофазных методов синтеза (соосаждения гидроксидов с низкотемпературной обработкой, совместной кристаллизации солей с ультразвуковой обработкой и нитрат-цитратный метод) синтезировать мало агломерированные ксерогели, высокодисперсные порошки в системе CeO2-Dy2O3. С помощью консолидации синтезированных порошков получить малопористую и прочную керамику: подобрать спекающие добавки, температуры спекания. Исследовать влияние условий проведения синтеза и консолидации порошков-прекурсоров на средний размер ОКР, величину открытой пористости, относительной плотности, микроструктуру и электропроводность полученных объемных электролитов в системе CeO2-Dy2O3. Провести сравнительный анализ влияния используемых методов синтеза на заданные характеристики целевых материалов.
Для решения проблем повышения предельных мощностей электромеханических преобразователей и накопителей возобновляемой энергии актуальным является выбор новых конструкционных, проводниковых, магнитных и ферромагнитных материалов на основе результатов численного моделирования, а также разработка новых принципов конструирования электротехнических устройств различной мощности. Сетевые накопители энергии представляют собой новое техническое решение в управлении изолированными энергосистемами и обеспечении бесперебойного снабжения потребителей. Внедрение экологически чистых решений в сфере энергетики при реализации международных соглашений странами, ратифицировавшими Киотский протокол и Парижское соглашение, делают актуальными работы по поиску новых подходов в области возобновляемой энергетики для Арктического региона. Для изолированных энергосистем Арктического региона необходимы новые подходы к созданию комплексов, включающих возобновляемую энергетику и накопители энергии. Необходимы поиски решений по созданию высокоэффективных накопителей энергии с использованием новых материалов. Для кинетических накопителей это оригинальные и экономически эффективные решения по материалам для маховиков и систем магнитного подвеса. Для гибридных электростанций – это повышение эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков, выбор материалов для рабочих элементов конструкции. Для строительных материалов – повышение физико-механических и реологических свойств цемент содержащих материалов методом их модифицирования нанокремнием для снижения расхода вяжущих материалов при использовании в строительстве.
2. Решение проблем, связанных с развитием экологически чистой энергетики является приоритетным на сегодняшний день. Гидросиликатные квазиодномерные наночастицы являются перспективными кандидатами для получения на их основе материалов с различными функциональными свойствами (катализаторы, сорбенты, источники тока, наноконтейнеры для адресной доставки лекарств и т.д.). Из-за особенности нанотрубчатой структуры гидросиликатов (наличие внутреннего канали и межслоевых пространств, d-элементов в структуре) данные объекты являются перспективными для использования их в качестве анода литий-ионных аккумуляторов. Гидросиликатные нанотрубки могут выступать в качестве катализаторов паровой конверсии этанола, а также для производства синтез-газа. Щелочные полититанаты, содержащие ионы H+, могут быть использованы в качестве электролитов и катализаторов низкотемпературных топливных элементов [7-9], а содержащие в своей структуре Na+ и Li+ - в качестве электродных материалов для литиевых и натриевых аккумуляторных батарей. Материалы на основе висмутатов, обладают смешанной кислород-электронной проводимостью и являются перспективными для использования в среднетемпературных топливных элементах (работающих в интервале температур 400-500°С). Голландиты и рамсделлиты – обладают достаточно высокой каталитической активностью в реакции окисления водорода, что также свидетельствует о возможности их использования в водородной энергетике, а также в пассивных рекомбинаторах водорода на атомных станциях, однако данный вопрос требует разработки метода синтеза этих соединений в виде наночастиц, в том числе с квазиодномерной морфологией). Ортофосфаты РЗЭ перспективны в качестве материалов для иммобилизации ВАО, а также благодаря их оптическим, теплофизическим и др. свойствам, высокой химической устойчивости могут быть использованы в качестве функциональных материалов в различных устройствах современной энергетики.
3. Актуальность научной темы направлена на решение фундаментальной проблемы современного материаловедения: получение оксидных материалов (стекол, керамики, покрытий) с заданными свойствами, синтез и эксплуатация которых протекают при высоких температурах. Принимая во внимание также актуальность выбранных объектов исследования, необходимых для синтеза стекол, керамики, покрытий нового поколения, устойчивых к воздействию высоких температур, многокомпонентных систем на основе оксидов гафния и редкоземельных элементов, а также силикатных систем, содержащих оксид стронция, отметим многообразие использования этих систем для получения современных материалов. В частности, керамика на основе оксидов гафния и редкоземельных элементов имеет широкий спектр применения:
- при выборе материалов керамических форм при литье лопаток газотурбинных двигателей с использованием перспективных жаропрочных сплавов;
- для термобарьерных покрытий нового поколения для авиационной и космической техники;
- в различных областях атомной техники и технологии, например, для длительного ядерно-безопасного хранения плутония, включая отходы;
- в микроэлектронике в качестве альтернативного диэлектрика для замены диоксида кремния.
Многокомпонентные силикатные системы, содержащие оксид стронция, например, стронциево-алюмосиликатная система, открывает широкие потенциальные возможности для поиска новых стеклокерамических материалов для электроники, радиопрозрачной керамики для авиатехники, высокотемпературных композитных материалов, химически стойких барьерных, ситаллов, а также функциональных материалов, востребованных для устройств, необходимых для локализации расплава активной зоны ядерного реактора. Современная разработка новых перспективных высокотемпературных материалов и технологий, как неоднократно показано, требует достоверной информации
- о термодинамических свойствах и процессах испарения рассматриваемых систем, - о теоретических подходах для моделирования, в частности, термодинамических свойств многокомпонентных оксидных систем при высоких температурах, а также
- о фазовых равновесиях в изучаемых системах.
В настоящее время эта комплексная задача решается путем создания баз термодинамических данных и моделей для прогнозирования материалов с заданными свойствами и поиска оптимальных технологических решений в условиях высоких температур, с привлечением современных баз данных таких, как TERMOCALC, FACTsage, SGTE, NUCLEA, TAF-ID. Следует отметить, что для моделирования привлекается широкий спектр полуэмпирических и статистико-термодинамических подходов для описания и оптимизации фазовых равновесий рассматриваемых систем. Однако отсутствие указанной выше взаимно согласованной информации в значительной степени затрудняет поиск и разработку материалов и технологий нового поколения. По этой причине, предлагаемый при реализации данного исследования комплексный подход на примере значимых для практики объектов является весьма перспективным и актуальным. |