В Уральском федеральном университете создают новые топливные элементы и каталитические материалы
Исследователи добились управляемого получения наноразмерных сложных оксидов в реакциях горения. Помимо сознания новых источников тока - топливных элементов - результаты такой работы могут быть использованы при создании каталитических, магнитных, сверхпроводящих и сенсорных материалов.
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.
Полимерно-солевые композиции способны гореть, генерировать заряды и давать в результате сложные оксиды с заданными свойствами.
Фото: из личного архива Александра Остроушко.