Общий элемент

Ежегодно 9 июня в день рождения выдающегося ученого-химика, вице-президента Российской академии наук Валентина Коптюга, на протяжении 17 лет руководившего Сибирским отделением РАН, ученым вручается премия его имени. В этом году ее лауреатами стал интернациональный коллектив химиков и физиков, работающих в области водородной энергетики.

Премия дружбы

Премия имени академика В.А. Коптюга была учреждена в 1999 году, спустя два года после смерти талантливого ученого. Валентин Афанасьевич, белорус по национальности, был иностранным членом национальной академии наук этой страны, поэтому премия была учреждена совместно белорусской академией и Сибирским отделением РАН. Она вручается ученым за выдающиеся достижения при выполнении совместных научных исследований в рамках межгосударственных программ двух стран. При этом область науки может быть любой – от этнографических исследований до ядерной физики. Решение о присуждении премии принимается поочередно Национальной академией наук Беларуси и СО РАН. В этом году ее судьбой распорядились академики из Минска. В итоге лауреатами 2012 года стали белорусы Александр Ильющенко и Олег Сморыго (Институт порошковой металлургии), а также сотрудничавшие с ними россияне: Владимир Собянин, Владислав Садыков (Институт катализа им. Борескова), Николай Уваров (Институт химии твердого тела и механохимии) и Олег Бобренок (Институт теплофизики им. Кутателадзе). Заслуженного признания удостоилось исследование «Разработка научных основ создания композиционных и наноструктурированных материалов для перспективных систем водородной энергетики и исследование устройств с их использованием». Сибирские ученые встретились с журналистами и рассказали о многолетней совместной работе.

Энергетическое завтра

Водородная энергетика, которую многие эксперты считают завтрашним днем человечества, представляет собой достаточно широкую сферу исследований. Большинство работ, связанных с эффективным использованием насыщенных водородом топлив (к которым относятся и нефтепродукты, и газ), стали сегодня прерогативой именно водородной энергетики. Разумеется, речь идет уже не о двигателях внутреннего сгорания: источник энергии будущего – топливный элемент.

По сути топливный элемент близок к обычной батарейке: на подложку нанесены анодные и катодные слои, разделенные электролитом, а электроэнергия вырабатывается за счет химического процесса окисления. Но если время работы батарейки ограничено объемом активных химических веществ, то топливный элемент, горючее и окислитель к которому подаются извне, может работать годами. В отличие от двигателя внутреннего сгорания такие устройства позволяют преобразовывать химическую энергию в электрическую с очень высокой степенью эффективности – КПД может достигать 80%.

Работы в этом направлении ведутся учеными всего мира не первое десятилетие; видов топливных элементов разработано множество, однако пока ни один из них не может заменить используемые сегодня источники питания. Причина кроется в их несовершенстве, ведь топливный элемент – это сложный химический реактор в миниатюре. Топливо и окислитель должны свободно поступать внутрь, реагируя в анодных и катодных зонах, продукты реакции – легко и быстро удаляться из топливного элемента, а материалы, из которого он изготовлен, – быть устойчивыми в окислительных и восстановительных средах.

Новый подход к старой проблеме

Владимир Собянин рассказал, что удостоенное премии исследование было направлено скорее на разработку фундаментальных основ водородной энергетики, чем на создание опытного образца. Впрочем, за три года совместной работы удалось создать и его – сибирские и белорусские ученые сосредоточили свои усилия на твердооксидном топливном элементе нового вида. Такие устройства работают при очень высокой температуре (около 1000°C) и рассчитаны на стационарные установки мощностью от 1 кВт. Однако нашим физикам и химикам удалось существенно снизить рабочий диапазон температур (до 600°C), одновременно «приучив» устройство практически ко всем видам топлив.

Секрет успеха – в применении оригинальных технологий. Белорусские коллеги отвечали за металлическую подложку, которую они изготовили абсолютно новым способом: слой металлического никеля наносили на пластины из пенополиуретана, затем органическая часть удалялась, и оставалась «пена» из чистого никеля, которую затем прессовали. Поверхностный слой подложки подвергали дополнительной обработке: внедряли металлический алюминий из газовой фазы, так что на поверхности оказывался тонкий защитный слой оксида алюминия (корунда), служащий защитой от коррозии. В отличие от традиционно используемого пористого никеля спресованная «пена» обладает уникальными свойствами: это материал жесткий, но гибкий, прочный, но пластичный, с очень высокой тепло- и электропроводностью. Но главное – такой материал очень технологичен, как и любой металл. В отличие от стандартных керамических подложек с ним могут смело работать инженеры, не боясь повредить хрупкое устройство.

На подложку, как объяснил журналистам еще один лауреат Владислав Садыков, наносили слои анодного композита – оксида никеля (в том числе промотированного платиной) в смеси с электролитом – диоксидом циркония, допированным иттрием. Эти материалы хорошо знакомы химикам, работающим с топливными элементами. Однако сибирские ученые использовали оригинальный градиентный подход: меняя пористость последовательно наносимых слоев, они сумели создать оптимальную структуру анода. На выровненную поверхность анодной подложки особым образом – методом химического парофазного осаждения наносили тонкий плотный слой электролита, а уже на него – катодные нанокомпозитные слои сложных оксидов со структурой перовскита и электролитов – допированных диоксидов циркония или церия. Получился своеобразный «слоеный пирог», сама структура которого способствует эффективному переносу реагентов.

– Но и это еще не все, – добавляет Николай Уваров. – Поскольку в таком нанокомпозите пористая металлическая подложка буквально пронизана анодным слоем и связанным с ним слоем электролита, мы имеем большую межфазную границу. А, значит, вся система устойчива к механическим и термонапряжениям – нанокомпозит не трескается и не спекается. Развитая межфазная граница в топливных элементах, на которой протекают катодные и анодные реакции, необходима для обеспечения высоких плотностей тока и, следовательно, – увеличения мощности топливного элемента.

Несмотря на очевидную перспективность разработки, Владимир Собянин подчеркивает фундаментальный характер исследования. О том, как поделить возможные дивиденды с белорусскими (фактически – иностранными) коллегами, если появится потенциальный инвестор, ученые пока не задумывались. Главное – что работа получилась интересной, многообещающей и оценена по достоинству.

Ирина ИЛЬИНА

На снимке автора слева направо: В. Садыков, В. Собянин, Н. Уваров, О. Бобренок.

Посмотреть видео с пресс-конференции химиков-физиков можно здесь:

http://www.youtube.com/watch?v=gt7EWdlfxAQ