Разработка структурированных катализаторов трансформации биотоплив в синтез-газ, мембран для селективного выделения кислорода или водорода и твердооксидных топливных элементов с применением радиационно-термического спекания нанесенных функциональных слоев

В настоящий момент интенсивно разрабатываются технологии обработки функциональных материалов с уникальными характеристиками. Для получения прочной газоплотной керамики, применяемой в энергетике, помимо традиционного спекания в печи, используются такие современные методы спекания, как микроволновое, лазером, горячее прессование и т.д. Основной проблемой изготовления такой керамики с использованием традиционного спекания в печи является необходимость длительного спекания при высокой температуре. Альтернативным методом является радиационно-термическое спекание, позволяющее существенно сократить температуру и время обработки по причине особенностей взаимодействия электронных пучков и твердых материалов, таких как диссипация энергии и эффект радиационно-стимулированной диффузии. При массе покоя электрона 0,51 МэВ, электронные пучки с энергией 1 МэВ и выше являются релятивистскими, и в результате взаимодействия электронов пучка с атомом происходит передача энергии от 10 эВ до 1 МэВ, позволяющая выбивать атом из узла кристаллической решетки с ее разупорядочением. Благодаря этому эффекту скорость спекания увеличивается при более низкой температуре, чем при термическом или микроволновом нагреве. Электроны пучка проникают в объем любого вещества и тепловыделение идет изнутри, поэтому нагрев происходит в объеме образца, что уменьшает градиенты температур и приводит к исчезновению остаточных механических напряжений, способствующих образованию трещин. Другим неоспоримым преимуществом радиационно-термического спекания является высокая воспроизводимость метода. Использование спекания электронными пучками материалов для структурированных катализаторов конверсии биотоплив, твердооксидных топливных элементов и мембран с селективной проницаемостью, а также интегрированных устройств (ТОТЭ с генератором синтез-газа, каталитические мембранные реакторы) представляет отдельный интерес. На сегодняшний день практически не существует разработанных технологий нанесения функциональных керамических слоев с помощью нагрева электронными пучками, что является актуальной задачей современного материаловедения. Важнейшим направлением развития исследований является разработка дешевых способов получения таких функциональных слоев для данных устройств. При радиационно-термическом спекании с использованием электронных пучков энергозатраты на получение плотной керамики и нанесенных функциональных слоев уменьшаются в несколько раз по сравнению с традиционными методами спекания. Исходя из накопленного опыта по синтезу и спеканию материалов, выбраны объекты исследования (вольфраматы/молибдаты лантаноидов и их нанокомпозитов со сплавами ванадия и никеля, скандаты лантаноидов, титанаты и цераты висмута, слоистые никелаты лантаноидов, твердые электролиты на основе допированного церия и циркония), которые будут использоваться для получения функциональных слоев. Новизна настоящего проекта включает в себя разработку оптимальной технологии обработки электронными пучками различных материалов с варьированием среды и условий (скорости и длительности нагрева, температур обработки). Впервые полученные результаты по радиационно-термическому спеканию таких материалов, данные характеризации их структурных, морфологических, транспортных и каталитических свойств с использованием современных физико-химических методов исследования, а также испытанию таких устройств, позволят расширить круг их использования и значительно снизить затраты на их производство.