Разработка эффективных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) требует создания многослойных электродных систем, обеспечивающих высокую электрохимическую активность и стабильность во всем интервале условий практического использования. В данной работе представлены результаты исследования функциональных свойств флюоритоподобных твердых растворов Ce_1-x-yLa_xPr_yO_2-δ (x=0,29-40, y=0,10-0,14) со смешанной ионно-электронной проводимостью, которые были синтезированы глицин-нитратным методом и изучены в качестве каталитически активных защитных подслоев ТОТЭ. На основании результатов измерений удельной электропроводности в зависимости от парциального давления кислорода, варьируемого от 0,35 атм до 10^-19 атм при 973-1223 К, предложены модели дефектообразования и переноса. Установлено, что увеличение содержания празеодима приводит к увеличению электронной проводимости p-типа в окислительных условиях, в то время как в восстановительных атмосферах доминирующим процессом является восстановление церия с образованием электронных носителей n-типа. С помощью контактных отжигов смесей порошков и рентгенофазового анализа проведены оценки химической совместимости с твердым электролитом на основе галлата лантана - LSGM. Проведен электронно-микроскопический анализ модельных ячеек с электродом из перовскитоподобного PrBaFe_1,2Ni_0,8O_5+δ и многофункциональным подслоем Ce_0,50La_0,40Pr_0,10O_2-δ в контакте с твердоэлектролитной мембраной из галлата лантана.

Разработка высокоэффективных и экономически перспективных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) требует поэтапной оптимизации их компонентов с учетом типа конкретного устройства, технологии производства, условий применения и материалов от микро- до макроуровня. Цель настоящей работы - численное моделирование распределения плотности тока, температуры и концентраций топлива и кислорода в планарном ТОТЭ с тонкой несущей твердоэлектролитной мембраной на основе стабилизированного диоксида циркония, двухслойными пористыми электродами и стальными биполярными пластинами из сплава Crofer 22 APU. Моделирование методом конечных объёмов, направленное на определение основных параметров оптимизации конструкции единичного элемента, позволило получить реалистичные интегральные характеристики, сравнимые с экспериментальными характеристиками лабораторных образцов ТОТЭ. Подтверждено, что наличие массивных металлических биполярных пластин в планарной конфигурации ТОТЭ позволяет в значительной степени сгладить окальные неравномерности температурного поля во всем исследованном интервале токов. В качестве ключевых задач выделены: оптимизация ширины и геометрической формы контакта между электродами и токоподводами, расчет оптимальной ширины газовых каналов с учетом применения различных типов топлива и катализаторов, оценка технологически допустимых альтернативных типов конфигурации токоподводов с целью избежать частично изолированных краевых зон с пониженной плотностью тока и экспериментальные исследования электродов вблизи краев зоны контакта с токоподводом, где может происходить спекание и деградация пористых слоев под действием тока. Показано, что при оптимизации конфигурации ТОТЭ граничные условия модели должны выбираться в интервале средних токов вблизи максимальных мощностных характеристик: данный подход обеспечивает минимизацию диффузионных эффектов и достижение режимов, необходимых для практического использования.

Впервые в процессах гетерогенного горения (или самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС)) различных конденсированных систем удалось обнаружить, классифицировать и систематизировать самопроизвольные электрические сигналы электрохимической природы, возникающие в волне горения за счет подвижности ионов в реагирующих смесях и обобщенно названные «электродвижущей силой горения» (ЭДС). В результате этого были сформированы предпосылки новых направлений в рамках науки о горении и материаловедении - электрохимии горения конденсированных систем, ионной химии горения и динамической ионографии процессов гетерогенного горения. С помощью метода динамической ионографии при использовании нереагирующих электродов были идентифицированы источники ионизации реакционных смесей и проанализированы основные этапы химического взаимодействия в реакциях гетерогенного горения конденсированных систем, содержащих твердые окислители, а также в бескислородных системах. Определены максимальные значения электродвижущей силы горения, соответствующие термодиффузионным потокам катионов различных химических элементов I-VTII групп в горящих системах, и установлена линейная зависимость этих величин от ионного радиуса соответствующего химического элемента. К настоящему времени за счет комбинирования оксидных реагентов удалось в процессе их взаимодействия при горении зарегистрировать сигналы величиной более 2 В, что позволяет серьезно задуматься над вопросами использования электрической энергии, генерируемой в процессах СВС.

Воздействие внешнего постоянного магнитного поля 0,2 Т на процессы и продукты взаимодействия реакционных систем, включающих в себя переходные металлы (никель и титан) и их оксиды с добавлением или без добавления твердого внутриреакционного окислителя (перхлората натрия), было исследовано в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), совмещенного с динамическими рентгеновскими экспериментами с высоким временным разрешением и дополнительным полнопрофильным анализом (анализ Ритвельда) для определения процентного содержания продуктов реакции. Реакции горения протекали за счет окисления соответствующих металлических порошков. Температуры в процессах горения достигали 1150⁰C, а продукты горения образовывались в течение примерно 20 с. Это позволяло осуществлять точный контроль процесса горения в целом, и, в частности, контролировать скорость горения, максимальную температуру нагрева и охлаждения, ширину волны горения и направление ее распространения. Несколько интересных явлений, таких как, например, сегментация волны горения, было обнаружено в данных системах. Все продукты горения были исследованы с помощью рентгеновской дифракции, энергодисперсионного рентгеновского анализа, а также электронной микроскопии.

Представлены перспективные разработки в области двигателестроения, связанные с увеличением объёмов природного газа, используемого в качестве моторного топлива для ДВС. Создана технология формирования водородсодержащей топливной композиции, которая реализуется путем включения в топливный тракт двигателя каталитического генератора синтез-газа, вырабатывающего водородную компоненту непосредственно на борту транспортного средства. Как представляется авторам, в этом состоит наиболее перспективный путь развития водородного топливного комплекса в двигателестроении. В настоящее время закончены реальные ходовые испытания штатных бензиновых ДВС автомобилей «Соболь» и «Баргузин» с бортовыми генераторами водородсодержащего газа, которые показали положительные результаты. Обозначены перспективы использования модифицированных двигателей различными заинтересованными организациями и министерствами, эксплуатирующими бензиновые и дизельные транспортные средства, в рамках поручения Президента РФ на 2013-2014 гг.

Исследовано влияние параметров микроструктуры тонких пленок сплава палладия В1 на характеристики взаимодействия водорода с этими плёнками. Показано, что в зависимости от параметров их роста, таких как скорость роста, температура роста, а также химический состав и морфология подложек роста, уже на начальной стадии (3 - 25 Å) формируется различная микроструктура пленок. Такая начальная микроструктура наследуется при дальнейшем росте толщин пленок вплоть до 30 - 50 нм. Р азличие в микроструктуре пленок приводит в результате к отличию термодинамических равновесных и кинетических параметров взаимодействия водорода с тонкими пленками сплава, в частности, растворимости водорода и коэффициента диффузии водорода в сплаве и, следовательно, водородопроницаемости этого сплава. Исследование шероховатости тонких пленок сплава палладия В1 при термической обработке свидетельствует о напряженном характере этих пленок в состоянии сразу после их роста. При этом степень напряженности пленок, выращенных на различных подложках, оказывается разной.

В работе представле ны сравнительные результаты исследований эффективности двух типов каталитических материалов в реакции паровой конверсии метана. Первыш тип таких материалов относится к разработанным авторами катализаторам широкого назначе ния на сте кловолокнистой тканой основе (к стекловолокнистым тканым катализаторам - СВТК). СВТК-элемент представляет собой изделие, сотканное из силикатных аморфных стекловолокон (содержание кремнеземной составляющей носителя SiO₂ 55-98% масс.) в форме полотнищ или сеток с различными способами тканья, активированных каталитическими металлическими компонентами (Pt, Pd, Ag, Cr, Ni, Mn, Co и др.), набор и соотношение которык определяется требованиями каждого конкретного каталитического процесса. В экспериментах использованы образцы СВТК сеточного плетения, активированные платиной (содержание Pt 0,10-0,15 масс.%). При температуре 800⁰С и подаче метана 20 см³/мин его конверсия достигает максимума в 85% с выходом водорода 75 %. Проведенные ресурсные испытания стабильности процесса паровой конверсии метана на разработанных нами стеклотканых катализаторах при температурах 700-800⁰С в жестких условиях режимов периодического «пуск/остановка» в те -че ние не скольких месяцев подтвердили стабильность конверсии с выходом водорода на уровне 50%. Кроме того, было проведено прямое экспериментальное исследование каталитической активности серпентинита (широко распростране нной породы земной коры) в отношении реакции паровой конверсии метана -реакции образования «синтез-газа». Флюиды, содержащие CH₄+H₂O, являются одним из наиболее распространенных типов флюидов в земной литосфере. Серпентинит, как по своему составу (MgO-SiO₂ - основа, легированная каталитически активными компонентами Fe, Ni, Cr), так и по структуре (тонковолокнистая, тонкопористая матрица), является весьма близким аналогом традиционно используемых в промышленном катализе искусстве нных каталитических материалов. Основные результаты экспериментов: конверсия метана в водород возрастает с температурой и при 825^ОС составляет 14 %; конверсия метана в СО и СО₂ при той же температуре составляет 3 % по каждому компоненту; неожиданным результатом экспериментов было качественное обнаружение в продуктах превращения CH₃OH и C₂H₅OH. В технологическом процессе паровой конверсии метана на стандартных катализаторах кислородсодержащие углеводороды не образуются. Результаты проведенных экспериментов говорят о необходимости развертывания систематических исследований каталитич ских свойств широкого сп ктра пород з мной коры по отнош нию к разнообразным маршрутам химич ских пр вращ ний компон нтов флюидов и, т м самым, к дальн йш му развитию малоизуч нного направле ния в геохимии - «каталитиче ской геохимии».

В представленной работе предлагаются новые комплексные и прогрессивные подходы к решению задач, стоящих перед МЧС России, Минприродой, Рослесхозом и другими ведомствами, отвечающими за вопросы пожаробезопасности, санации лесов и обеспечения их экологической безопасности. Данные задачи предполагается решать в сочетании с обеспечением экономической выгоды за счет внедрения в деревообрабатывающие производства принципиально новых технологических подходов, гарантирующих практически безотходное использование всех видов древесных материалов, включая сухие, пораженные гнилью и различными видами вредителей деревья, а также все виды отходов древесных, древесно-стружечных производств и отходов, остающихся после вырубок. Предлагаемая авторами прогрессивная и экологически чистая технология переработки и использования всех вышеперечисленных некондиционных видов древесных материалов будет способствовать улучшению экологической обстановки в лесных массивах, обеспечению их пожаробезопасности и повышению объемов производства полезных продуктов деревообработки за счет высококачественных композиционных древесно-стружечных материалов и изделий из них.

В работе обсуждаются потенциальные возможности пористых имплантатов, синтезированных из порошков титана или NiTi (известного как - нитинол), для создания каркасных клеточных конструкций (несущих матриц). Было достигнуто достаточное понимание природы этих структур, синтезированных из титана и нитинола, с целью определения их пригодности для использования в качестве функциональных имплантатов. Результатом этого стало улучшение степени фиксации тканей на поверхностях имплантатов и разработка хирургических процедур с минимальной степенью инвазивности. Обсуждается также влияние шероховатости поверхности пористой матрицы на морфологию клеток, пролиферацию и адгезию. Пористые образцы для исследований были получены с помощью селективного лазерного спекания (СЛС) с различными режимами обработки поверхности. Микроструктура и шероховатость поверхностей были проанализированы методами сканирующей электронной микроскопии и оптической микроскопии. Исследования были проведены с использованием первичных культур клеточных фибробластов и мезенхимальных стромальных клеток человека возрастом от 1-2 дней до трех месяцев, внедренных в пористые структуры имплантатов. Проводились также сравнительные in vitro исследования динамики срастания костей с материалом пористой несущей матрицы, изготовленной из нитинола и чистого титана. Были оценены такие параметры, как скорость размножения клеток, их морфология и адгезия. Было установлено, что чистый титан лучше переносится живыми клетками, но число фокальных контактов в титановых образцах было ниже, чем в образцах, синтезированных из нитинола.

Обобщены результаты систематических исследований по радиационно-химическому синтезу растворов теломеров тетрафторэтилена в различных растворителях, проведено исследование кинетики и механизма процесса, состава и строения полученных продуктов, определены необходимые параметры получения теломеров с наиболее оптимальными свойствами, рассмотрены перспективы их применения. Радиационное инициирование позволило получить новые функциональные продукты с широким спектром свойств и разработать новые технологические подходы для создания композиционных материалов и защитных (гидрофобных, антифрикционных, термостойких) покрытий с использованием фторполимеров.

Проведен радиационно-химический синтез растворов низкомолекулярных полимеров (теломеров) тетрафторэтилена (ТФЭ) в этилацетате и изучена кинетика процесса. Термостабильность полученных теломеров определяется исходной концентрацией мономера в реакционной смеси. Оценена возможность практического применения растворов теломеров для модификации алюмоборосиликатных стеклотканей. Технология введения фторопласта в стеклоткань основана на применении операции пропитки стеклотканого наполнителя растворами теломеров ТФЭ. Показано, что при содержании 3-5% теломера от массы ткани в структуре наполнителя формируется равномерное сплошное покрытие, обеспечивающее высокий уровень гидрофобности композитного изделия.