Сибирские и белорусские учёные создали новый тип материала для систем водородной энергетики

Николай Уваров и Олег Бобренок

Об уникальном материале для создания топливных элементов COPAH.info рассказали участники интеграционного проекта с российской стороны: ректор НГУ и заведующий лабораторией Института катализа им. Г.К.Борескова СО РАН доктор химических наук Владимир Александрович Собянин, доктор химических наук Владислав Александрович Садыков, главный научный сотрудник Института химии твердого тела и механохимии СО РАН доктор химических наук Николай Фавстович Уваров и научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН кандидат физико-математических наук Олег Филиппович Бобренок. С разработкой топливных элементов во всём мире связывают большие надежды: именно такие устройства, по мысли специалистов, в будущем должны снабжать энергией всё то, что сегодня «заряжается» при помощи невозобновляемых источников. Превращая химическую энергию в электричество, энергоустановки на основе топливных элементов смогут обеспечить работу тостеров, автомобилей, заводов и прочего.

«Это исследование направлено в первую очередь на разработку фундаментальных основ, необходимых для того, чтобы среднетемпературные твёрдооксидные топливные элементы появились как устройства. Задача очень непростая, потому что электролит и электроды должны отвечать ряду свойств, которые трудно совместить, и объединение сил СО РАН с коллегами из Белорусии было жизненной необходимостью. Учёные Института порошковой металлургии НАН – это серьёзные специалисты в области разработки металлических пористых подложек», - считает доктор химических наук Владимир Александрович Собянин.

По словам кандидата физико-математических наук Олега Филипповича Бобренка, топливный элемент – это некий аналог батарейки, но в ней, когда она разряжается или заряжается, протекают какие-то химические реакции, а уникальность топливного элемента в том, что он может работать без перезарядки: выдавать ток до тех пор, пока туда подаётся окислитель и восстановитель.

В.А.Собянин

«Он может работать всегда, непрерывно - всё определяется его ресурсом: современные зарегистрированные высокотемпературные элементы могут функционировать около пяти лет. Рабочая температура таких систем составляет 900-1000 °C, и главная идея заключается в том, чтобы снизить её, - здесь-то и стыкуются все науки. Поэтому в междисциплинарном интеграционном проекте и участвовали специалисты из разных областей, что позволило решить все сложности, благодаря многообразию подходов», - отметил О.Ф.Бобренок.

Как уточнил В.А.Собянин: «Задача исследователей СО РАН состояла в том, чтобы выявить, во-первых, химические составы композиций, из которых нужно изготавливать электролит, во-вторых, предложить достаточно активный и устойчивый к восстановительной среде катализатор, который позволит использовать не водород в этих устройствах, а смесь углеводорода с парами воды или с воздухом для того, чтобы получать непосредственно в анодном пространстве топливного элемента водородосодержащий газ и пытаться его окислить с появлением электричества».
По словам учёных СО РАН, топливных элементов разных видов немало, но во всём мире считается, что твёрдооксидные из них наиболее перспективны, поэтому исследователи во многих странах уделяют серьёзное внимание поиску новых материалов.

«Приступая к этой работе, мы не забывали о том, что надо уходить от полезных ископаемых: углеводородов, газа, нефти и т.д. Мы нашли интересные подходы, как из возобновляемого сырья получать вещество для работы топливных элементов», - заметил заведующий лабораторией каталитических процессов в топливных элементах Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Учёные СО РАН разработали технологию, позволяющую наносить тонкие плёнки электролита как на керамические подложки, так и на металлические, при относительно невысоких температурах (700-800 °C), тогда как большинство таких методов формирования таких электролитических мембран – это 1300-1400 °C.

«Наши коллеги из Белоруссии наносили слой металлического никеля на пластину из пенополиуритана. Затем в среде, которая содержала водород, вся органическая часть удалялась, и получалась пластина из пены и никеля. С помощью мощных прессов её сжимали, и она становилась достаточно лёгкой, но прочной (подложки используют в качестве конструкционных материалов для того, чтобы собирать на их основе и топливные элементы, и структурированные катализаторы для превращения топлив). После уплотнения в поверхностный слой внедряли алюминий - получался никель-алюминиевый сплав, после чего это всё окислялось, и возникала совершенно уникальная композитная конструкция, которая и позволяет обеспечить необходимую прочность и коррозионную устойчивость. Всевозможные пенометаллы и спечённые пористые металлы хорошо известны, но уникальность нашей разработки в том, что разарботанный нашими коллегами из Белоруссии материал сочетает прочность с пластичностью, теплопроводность с электропроводностью», - рассказал доктор химических наук Владислав Александрович Садыков.

«Металл технологичнее, чем керамика, поэтому мы берём пористый металл, обрабатываем поверхность одним нанослоем, а потом вторым, для того, чтобы получить композитный проводящий слой, который был бы стабилен и обладал хорошей проводимостью. Заполняем микрочастицами, затем наночастицами, чтобы забить дыры, но не полностью (газ должен проходить), дальше мы наносим уже электролит. То есть эта работа на наноуровне - твёрдый электролит получается толщиной пять микрон. Также мы делаем защитный слой, чтобы катод не прореагировал с электролитами, и только после этого помещаем катод (тоже наносится нанокомпозитно). Мы не называем это нанотехнологиями, но подразумеваем», - отметил заведующий лабораторией неравновесных твёрдофазных процессов Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН Николай Фавстович Уваров.

Владислав Садыков

За три года, в течение которых российские и белорусские учёные работали над интеграционным проектом, было опубликовано почти тридцать работ. По итогам группе исследователей была присуждена премия имени академика В.А.Коптюга в 2011 году за цикл научных работ «Разработка научных основ создания композиционных и наноструктурированных материалов для перспективных систем водородной энергетики и исследование устройств с их использование».

Ангелина Иванова
Фото автора.

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.