Развитие научных основ формирования функциональных материалов с заданными свойствами на основе сложных оксидных систем и микросфер энергетических зол

Отчет 65 с., 23 рис., 10 табл., 15 источников, 9 прил. Публикации по проекту (количество): статьи – 15, материалы и тезисы конференций – 6. Объекты исследования. Перовскиты; ферритные катализаторы; мембранные материалы; композитные и керамические материалы; сорбционно-активные материалы; композитные вяжущие материалы. Цель работы. Определение взаимосвязи химического, фазового составов, морфологии, структурных характеристик сложных оксидных систем и узких фракций микросфер состава SiO2–Al2O3–FeO и CaO–SiO2–Al2O3–FeO, выделенных из летучих зол, как основы для формирования эффективных катализаторов окислительного превращения метана; мембранных материалов для высокоэффективного разделения газовых смесей; микросферических адсорбционно активных систем для извлечения из водных сред катионов токсичных металлов; керамических и композитных материалов высокой прочности. Важнейшие результаты. Впервые, в системе SrO–Gd2O3–CoO синтезированы новые метастабильные нестехиометрические фазы Радделсдена-Поппера Sr3−хGdxCo2O7− (х = 0.5–1.5). Установлено, что снижение температуры твердофазного синтеза с 1000 до 900 °С приводит к формированию значительно более активных в окислительном превращении метана катализаторов из области составов CaO‒Ca2Fe2O5; снижение парциального давления кислорода при синтезе CaFe2O4 с 0,21 до 10−5 атм приводит к росту его активности на 2 порядка. Молекулярные структуры модифицированного кварцевого стекла со степенью расширения от 10 до 14% демонстрируют высокую Не-проницаемость 10–105 barrer в сочетании с высокой селективностью Не/Ne на уровне 104–105; улучшение газотранспортных свойств достигается благодаря реализации различных механизмов диффузии разделяемых газов – супердифузии для Не и нормальной или субдиффузии для Ne. Для формирования новых материалов с прогнозируемыми свойствами получены немагнитные и магнитные фракции дисперсных микросфер системы CaO–SiO2–Al2O3–FeO с узким распределением глобул по размеру в интервале средних диаметров до 10 мкм и содержанием основных макрокомпонентов 84–88 мас. %. С использованием узких фракций дисперсных микросфер в качестве источника Si и Al осуществлен синтез микро/мезо/макропористых материалов, содержащих цеолитные фазы NaX, NaP1, ANA, которые характеризуются высокими параметрами очистки растворов от Pb2+ и Cd2+: KD до 105 мл/г, степень извлечения – до 99 %; Pb2+/Cd2+-обменные формы цеолитного материала в результате термического воздействия образуют минералоподобные фазы полевого шпата, включающие свинец PbAl2Si2O8 или кадмий CdAl2Si2O8. Для композитных материалов на основе цемента с добавками дисперсных микросфер установлено, что значительному повышению долговременной прочности способствует увеличение отношения SiO2/Al2O3 и Al2O3/Fe2O3 в стеклофазе алюмосиликатных микросфер и SiO2/CaO в стеклофазе высококальциевых микросфер. Разработана и апробирована методика расчёта структурных факторов из DFT-оптимизированного распределения электронной плотности, позволяющая исключить скачки плотности на узлах сетки расчёта, пригодная для уточнения параметров модели атомных оболочек и виртуальных рассеивателей, а также кривых рассеяния атомов в виде экспоненциальных сумм.