Материалы нового поколения для инновационного развития энергетики

В качестве перспективной конструкции для ветроэнергетики больших мощностей рассматривается синхронная электрическая машина с поперечным магнитным потоком, способная реализовать высокие плотности вращающего момента. Предложена и запатентована топология электрической машины с поперечным потоком с односторонним расположением статоров, которая по плотности вращающего момента превосходит показатели машины с продольным потоком, причем при любой рассчитанной длине магнитов, в 1,2–1,7 раза. Выполнены численные расчеты параметров синхронного ветрогенератора 800 кВт с поперечным магнитным потоком двух топологий (с двухсторонним и односторонним расположением статоров), а также оптимизация параметров синхронного генератора патентно-защищенной топологии с помощью методологии поверхности отклика. Продолжены работы по формированию научных основ применения инновационных материалов для разработки современных судовых электроэнергетических установок с использованием твердополимерных топливных элементов и сверхпроводниковых электрических машин. Такие установки предназначаются для автономных неуправляемых подводных аппаратов. Объектом исследования для применения в низкотемпературном водородно-воздушном твердополимерном топливном элементе (ТПТЭ) являлись синтезированные: а) каталитически активные электродные материалы на основе биметаллических наночастиц Pd(Cu) и Pd(Ag) c пониженным содержанием драгоценного металла платиновой группы (Pd); б) композитные (гибридные) катионпроводящие мембраны на основе модифицированного аминосульфоновой кислотой, фурфуролом и продуктами гидролиза тетраэтоксисилана поливинилового спирта, в том числе содержащие в своем составе наночастицы CeO2, имеющие преимущество перед коммерческой эталонной мембраной Нафион по ряду показателей: рабочий температурный диапазон, значения ионной проводимости и ионно-обменной емкости; в) ксерогели, нанопорошки и керамика из них состава Gd(Pr)2O3-La2O3–SrO–Ni(Co)O3-δ, имеющая развитую пористую структуру и оптимальную плотность необходимую для катодных материалов среднетемпературных водородно-воздушных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Цель исследования – жидкофазный синтез и исследование комплекса свойств порошков, содержащих каталитически активные наночастицы Pd, Cu и Ag и композитных материалов на их основе, катионпроводящих гибридных (композитных) материалов на основе модифицированного алифатического полимера (поливинилового спирта) и ксерогелей, керамических порошков и спеченных керамических электродных материалов состава Gd(Pr)2O3-La2O3–SrO–Ni(Co)O3-δ. В процессе работы проводились исследования с применением современных физических и электрофизических методов, в том числе использовались специализированные установки. В результате исследования определен фазовый состав и строение биметаллических наночастиц Pd(Ag) и Pd(Cu) в сравнении с их монометаллическими частицами. На основе биметаллических наночастиц Pd(Ag) и Pd(Cu) приготовлены композитные покрытия электродов ТПТЭ и определена их каталитическая активность. Изучено влияния наночастиц диоксида церия, входящих в состав катионпроводящего мембранного материала ТПТЭ, на его физико-химические и электрофизические свойства. Также изучено влияние условий отверждения гибридного мембранного материала (несодержащего наночастицы диоксида церия в своем составе) на аналогичный комплекс свойств и выполнено сравнение всех полученных показателей с таковыми коммерческой эталонной мембраны Нафион-115. Получены ксерогели, нанопорошки и керамика из них состава Gd(Pr)2O3-La2O3–SrO–Ni(Co)O3-δ, имеющая развитую пористую структуру и оптимальную плотность необходимую для катодных материалов среднетемпературных ТОТЭ. Исследована микроструктура порошков и их кристаллическая структура, а также электрофизические свойства (величина, тип и механизм электропроводности) керамики – твердых растворов в системах Gd(Pr)2O3-La2O3–SrO–Ni(Co)O3-δ. Полученные композитные каталитические, гибридные (композитные) катионпроводящие и керамические электронно-ионопроводщие материалы являются перспективными для применения в водородно-воздушных низкотемпературном твердополимерном и среднетемпературном твердооксидном топливных элементах. Одной из целей настоящей работы является определение механизмов формирования и синтез квазиодномерных наночастиц со слоистой, ленточно-цепочечной и каркасной структурой, а также разработка наноструктурированных материалов на основе квазиодномерных наночастиц, включая нанокомпозиты, ориентированных на применение в энергетике. Основными задачами являлись: 1. Проведение исследований по определению влияния химического состава и строения исходных компонентов, а также параметров синтеза на формирование и рост наночастиц с различной морфологией (нанопластины, наносвитки, стержни), в том числе с частичным изоморфным замещением катионов в гидросиликатах и полититанатах; 2. Разработка композиционных материалов на основе наночастиц ортофосфатов РЗЭ в системах (1‒х)LaPO4–хZrSiO4 и (1‒х)HfSiO4–хZrO2. 3. Изучение функциональных свойств материалов, на основе синтезированных наночастиц и определение перспективы их использования, как материалов энергетического назначения, в качестве катализаторов, сорбентов, твердых электролитов, матриц для захоронения ВАО, тепловых барьеров. В области высокотемпературной химии оксидных систем и материалов объектами исследования являлись многокомпонентные оксидные, оксикарбидные и карбидные системы. Изучены физико-химические свойства следующих систем: Ba0.9Ca0.1Zr0.05M0.01Ti0.85O3 (M = Mn, Fe, Co), Н2Nd2Ti3O10, Н2Nd2Ti3O10BuOH, Gd2O3-ZrO2, Gd2O3-HfO2, Sm2O3-ZrO2-HfO2, Gd2O3-ZrO2-HfO2, La2O3-Sm2O3-Y2O3-HfO2, La2O3-Sm2O3-ZrO2-HfO2., TiO2-SiO2-ZrO2, а также карбидные на основе МАХ-фаз: Ti2AlC, Ti3AlC2, Zr2AlC, Zr3AlC2,Ti2SiC, Ti3SiC2, включая оксикарбидные системы с добавлением НfO2.