Өзектілігі.
Сутекті алу, сақтау және одан әрі отын ретінде пайдалану – жалпы сутегі энергетикасын кеңінен дамытудағы негізгі мәселелер болып табылады. Сутекті алудың негізгі себебі оның көміртексіз экологиялық таза өндірілуі. Алынған шикізатты мобильді сақтау және тасымалдау жағдайында сутегін өзіне химиялық байланысқан күйінде жинауға мүмкіндік беретін жаңа көпкомпонентті қорытпаларға қызығушылық артады. Мұндай материалдар сутегін уақытша сақтауға арналған ыдыс та, сондай-ақ отын элементтері де болуы мүмкін.
Жоғарыда мазмұндалғандарға байланысты ұсынылған бағдарламаның негізгі идеясы электрэнергиясын одан әрі генерациялай отырып, сутекті алудың, сақтаудың және тасымалдаудың инновациялық құрылғыларын, материалдары мен технологияларын әзірлеу және дамыту болып табылады.
Негізгі ғылыми зерттеулерді қазіргі заманғы эксперименттік ғылыми-технологиялық базасы, біліктілігі жоғары және мәлімделген бағдарлама бағыты бойынша көп жылдық жұмыс тәжірибесі бар кадрлар жұмыс істейтін «Қазақстан Республикасының Ұлттық ядролық орталығы» РМК (ҚР ҰЯО) орындайтын болады. Бағдарламаның жекелеген міндеттерін шешу үшін «С. Аманжолов атындағы Шығыс Қазақстан университеті» КЕАҚ, «Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университеті» КЕАҚ және «Қ. Сәтбаев атындағы Қазақ ұлттық техникалық зерттеу университеті» КЕАҚ жанындағы жетекші отандық зертханалар мен ғылыми орталықтар тартылатын болады.
Бағдарламаның мақсаты – Қазақстан Республикасының энергетикалық ресурстары мен қажеттіліктерін ескере отырып, сутекті алуға және сақтауға, сондай-ақ оның негізінде электрэнергиясын электрхимиялық генерациялауға арналған инновациялық технологияларды, материалдар мен құрылғыларды әзірлеу.
Бағдарламаның міндеттері:
Ғылыми жаңашылдығы:
Жобаның ғылыми жаңашылдығы:
– Қазақстанда алғаш рет сутегін және көміртегін алу зерттеулеріне әдістемелік ұсыныстар, сондай-ақ ААЖ-разрядындағы метан пролизі реакциясының қатты өнімдерінің материалтану деректері беріледі;
– электролиз әдісі арқылы сутегін алу үшін сутегін бөлудің асқын кернеуін азайту және оны алуға энергия шығынын төмендету үшін MXene тобының жаңа 2D материалдары пайдаланылады;
– Қазақстанда көп рет қолданылатын сутекті көп қажет ететін интерметалидті қосылыстар негізінде сутегін сақтаудың және тасымалдаудың алғаш көрнекілік жүйесі әзірленеді;
– алғаш рет үшөлшемді мезокеуекті сутегі конденсаторын, сондай-ақ цирконийдің наноқұрылымдалған оксидінің негізінде ОЭ МЭБ-қа арналған материалдарды алу үшін целлюлозаның микро- және нанокристалдары негізінде полимерлі-көміртекті композициялық материалдар әзірленеді;
– сутекті сақтау және тасымалдау үшін ауыл шаруашылығы қалдықтары мен бір жылдық өсімдіктердің негізінде жаңа полимерлі-көміртекті және нанокомпозитті материалдар алынады;
– анодты материалды синтездеу арқылы Ni-MeH типті батареяларды алу үшін Қазақстан нарығында коммерцияландыруға жол ашылады.
Бағдарламадан күтілетін нәтижелер.
Тікелей нәтижелері:
1-бағыт. Сутегін алу
– АЖЖ-разрядындағы метан приолизі нәтижесінде сутегін және көміртегін алу кезіндегі зерттеулерге әдістемелік ұсыныстар;
– ААЖ-разрядын қолдана отырып, плазмалық пиролиз арқылы сутегін алу кезінде метанның ыдырау дәрежесінің тиімділігін арттыру;
– ААЖ-разрядындағы метан пиролизі реакциясының қатты өнімдерінің материалтану деректері.
1.2. Ерітінділердің электролизі арқылы сутегін электрхимиялық генерациялау үшін екіөлшемді катализаторлардың құралымы мен құрамын оңтайландыру:
– сутегін бөлінудің асқын кернеуінің төмен мәніне ие каталитикалық материалдарды ұсыну;
– сутегін бөлу процестерінде оның каталитикалық қасиеттеріне табиғат пен 2D материалдарының беттік функционалды топтарының саны арасында өзара байланысты орнату;
– сутектің электрхимиялық генерациясының катализаторлары ретінде 2D материалдарды пайдаланудың экономикалық тиімділігін бағалау.
2-бағыт. Сутекті сақтауға және тасымалдауға арналған инновациялық материалдар мен технологиялар
2.1. Металгидридтік қолданулар үшін LaNi5 негізіндегі қорытпалардың әмбебап жүйесін әзірлеу:
– жоғары сутегі сыйымдылығына қол жеткізу үшін LaNi5 негізінде сутегін сақтаудың металгидридті жүйелерінің оңтайландырылған құрамдары мен құрылымдарын әзірлеу;
– химиялық құрамының вариациясы, жоғары энергетикалық өңдеу кезінде LaNi5 негізінде сутегін сақтау жүйелерінің құрылымдық-фазалық жай-күйі мен физикалық қасиеттерін және жұмыс температурасының кең интервалында шоғырландыру тәсілін кешенді зерттеу;
– сутекті қайтымды сақтау үшін LaNi5 негізінде ұсақ дисперсті сутекті сіңіретін тиімді материалдардың үлгілерін жасау.
2.2 LaNi5 негізінде металгидридті жүйелерде сутектің сіңуін эксперименттік және теориялық талдау:
– еселенген сутектендіру/сутексіздендіру жүктелемері жағдайында LaNi5 негізінде сутегін сақтайтын ұсақ дисперсті жүйелердің қайтымды сутекті сіңіру қабілетінің ресурсын эксперименттік анықтау.
2.3 Сутекті көп қажет ететін композициялық материалдарды әзірлеу:
– сутекті көп қажет ететін полимерлі-көміртекті композиттік материалдарды алу тәсілін әзірлеу;
– микро- және нанокристалды целлюлоза мен түрлендірілген көміртекті материалдарға негізделген 3D микрокеуекті сутегі конденсаторларын әзірлеу технологиясы мен тәжірибелік моделі.
3-бағыт. Сутекті электрэнериясына түрлендіру
3.1. Төмен температуралы отын элементтеріне арналған материалдар:
– электрод материалдары мен МЭБ блогын сынау зерттеулерінің нәтижелері, ұсынылған материалдарды салыстырмалы талдау, сондай-ақ сорбент-материалдардың жұмысқа қабілеттілігін сынау нәтижелері және сутектің жинақталуын электрхимиялық және металгидридті тәсілде қолдану мүмкіндігін бағалау;
– композициялық кремний электродты құрылымдарының және ОЭ-ның мембраналы-электродты блогының тәжірибелік үлгілері.
3.2. Төмен температуралы ОЭ үшін каталитикалық жүйе:
– төмен температуралы ОЭ үшін каталитикалық жүйелерді алу технологиясы;
– сутекті түрлендіруге арналған каталитикалық жүйелері бар материалдар.
3.3. Сутегі негізінде энергияны электрхимиялық түрлендіргіштерге арналған анодты және катодты материалдарды әзірлеу және оңтайландыру:
– микро- және нанокристалды целлюлоза және түрлендірілген көміртекті материалдар негізінде 2D кеуекті сутегі конденсаторларының мембраналарын алу тәсілі;
– микро- және нанокристалды целлюлоза және графен тәрізді материалдар негізінде 3D микрокеуекті сутегі конденсаторларын әзірлеу технологиясы;
– сутегі энергетикасын электр энергиясына түрлендіру үшін жетілдірілген немесе жаңа каталитикалық жүйелері бар төмен темпаратуралы ОЭ-ның тәжірибелік моделі.
Соңғы нәтиже:
1-бағыт. Сутегін алу
1.1. АЖЖ-разрядындағы метан пиролизі нәтижесінде сутегін алу тәсілі
1.2. Сутегін электрхимиялық генерациялауға арналған тиімді катализатор
1.3. Электролиз әдісімен сутегін алудың оңтайландырылған процесі
2-бағыт. Сутекті сақтауға және тасымалдауға арналған инновациялық материалдар мен технологиялар.
2.1. Сутекті қайтымды сақтау үшін LaNi5 негізіндегі ұсақ дисперсті сутекті сіңіретін тиімді материалдарды алу тәсілі және зертханалық үлгілері.
2.2. LaNi5 негізінде сутегін сақтауға арналған ұсақ дисперсті композициялық жүйелердің техникалық-пайдалану сипаттамалары бойынша деректер кешені.
2.3. Микро- және нанокристалды целлюлоза мен түрлендірілген көміртекті материалдарға негізделген сутекті сақтауға және тасымалдауға арналған сутекті көп қажет ететін полимерлі-көміртекті композиттік материал.
3-бағыт. Сутекті электрэнериясына түрлендіру
3.1. Төмен температуралы отын элементтеріне арналған материалдар:
3.2. Түрлендірілген белсендірілген көмір мен палладий, мыс, никель және темірдің моно- және биметалл нанобөлшектеріне негізделген сутегі энергетикасы үшін төмен температуралы ОЭ-ға арналған тасымалдағыштар мен каталитикалық жүйелерді әзірлеу.
3.3. Электрхимиялық түрлендіруге және сутекті жинауға арналған сутегі абсорбенті негізіндегі анодты материал;
3.4 Металгидридті энергия жинақтағышқа арналған катодты материал;
3.5 Әзірленген катодты және анодты материалдар негізінде жаңартылған электрхимиялық энергия түрлендіргіші (аккумулятор).
Төмен температуралы отын элементінің МЭБ тәжірибелік үлгісі.
Микро- және нанокристалды целлюлоза мен түрлендірілген көміртекті материалдарға негізделген сутекті сақтауға және тасымалдауға арналған сутекті көп қажет ететін полимерлі-көміртекті композиттік материал, сондай-ақ сутегі энергетикасының төмен температуралы ОЭ-ға арналған каталитикалық жүйесі.
Қазақстандағы алғашқы жоғары сутегін көп қажет ететін түйіршікті интерметалды қорытпалармен толтырылған контейнерлер (көлемі 5-10 л аккумулятор-баллондар) түріндегі сутегін сақтауға және тасымалдауға арналған ықшамды жүйе.
Бағдарлама шеңберінде күтілетін ғылыми нәтижелер.
Бағдарламаны іске асыру шеңберінде жарияланатын болады:
– ҚР ҒЖБМ ҒЖБССҚК ұсынған журналдарда 14 мақала;
– қазақстандық баспалардың 3 монографиясы;
– Қазақстан Республикасының Ұлттық зияткерлік меншік институтында тіркелген 5 зияткерлік меншік объектісі (патенттер);
– бағдарламаның алынған нәтижелері бейінді отандық және халықаралық ғылыми конференциялар, симпозиумдар мен семинарлар шеңберінде сынақтан өткізілетін болады;
– TRL әдістемесіне сәйкес бағдарламаны аяқтау кезеңіндегі технологиялық дайындық деңгейі (2023 жылғы «18» шілдедегі №112-нж) - 3/4 деңгей.
2023 ЖЫЛҒЫ НӘТИЖЕЛЕР:
1-бөлім.
АЖЖ-разрядын қолдану арқылы метанның максималды ыдырау дәрежесі анықталды, сондай-ақ минималды энергия шығыны бар эксперименттік деректер анықталды (21.11.2023 ж. № 12-230-02/169 техникалық анықтама)
Сутегін бөлудің асқын кернеуін азайту үшін жаңа каталитикалық жүйелер таңдалды (№1 от 08.12.2023 ж. №1 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
2-бөлім.
LaNi5 негізінде металгидридті сақтау жүйелерінің құрылымдық-фазалық жай-күйін қалыптастыру және басқару тәсілдері әзірленді (01.12.2023 ж. № 12-230-02/181 техникалық анықтама).
Сутекті көп қажет ететін полимерлі-көміртекті композиттік материалдарды алу тәсілі әзірленді. Үшөлшемді мезокеуекті сутегі конденсаторын алу үшін целлюлозаның микро- және нанокристалдары алынды (08.12.2023 ж. №1 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
3-бөлім.
Қабырғаларына каталитикалық қабаттар мен мезокеуекті кремний мембраналары қолданылған өтпелі арналары бар макрокеуекті кремний электрод құрылымдарын әзірлеу бойынша жұмыстар жүргізілді (08.12.2023 ж. №1 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
Нанокатализаторлары бар кеуекті кремний негізіндегі электродтардың материалдары мен дизайнын әзірлеу, кеуектілік деңгейін және графен құрылымдарының түрленуін басқару арқылы электродтық құрылымдардың қасиеттерін түрлендіру бойынша жұмыстар жүргізілді (08.12.2023 ж. №1 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
Белсендірілген көмір негізінде оңтайлы тасымалдағыш таңдалды және оларды түрлендіру тәсілі әзірленді: күріш қабығы мен күнбағыс қауызын қышқылды және термиялық өңдеу (08.12.2023 ж. №1 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
Металгидридті электродқа арналған меншікті сыйымдылығы мен төзімділігі жоғары жаңа материалдар мен композицияларды әзірлеу жұмыстары жүргізілді (08.12.2023 ж. №2 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
Металгидридті электродқа арналған меншікті сыйымдылығы мен төзімділігі жоғары жаңа материалдар мен композициялар әзірленді (08.12.2023 ж. №2 ғылыми-зерттеу жұмысы туралы есеп).
01.01.01. АЖЖ-разрядын қолдану арқылы метанның максималды ыдырау дәрежесін анықтау, сондай-ақ минималды энергия шығыны бар эксперименттік деректерді анықтау
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының ғылыми қызметкері Т.Р. Туленбергенов
АЖЖ-разрядын қолдана отырып метанның плазмалық пролизі бойынша ғылыми жұмыстарға талдау жүргізілді, оның барысында разряд инициаторы ретінде мыналар қажет екені анықталды: метанның ыдырауына энергия шығынын азайту мақсатында газ тәрізді азотты немесе аргонды пайдалану; реакциялық камерадағы температура 1000 °С-тан басталуы керек, өйткені метан пролизі жоғары температурада ағады; АЖЖ-разрядының тұрақтылығы үшін газды атмосфералық қысым кезінде 0,05 нл/мин-тан 10 нл/мин-қа дейінгі шығынмен және температурасы 200 °С-тан 1000 °С-қа дейінгі диапазонда, 600 Вт-тан 6000 Вт-қа дейінгі диапазондағы АЖЖ-разряд қуатының өзгеру вариациясымен бұралған ағынмен жіберуді жүзеге асыру қажет. Сондай-ақ сутегін өндіру кезінде плазмохимиялық реакцияның тиімділігін арттыру үшін катализаторларды пайдалану қажет. Металл қоспаланған көміртекті катализаторлар мен көміртектік катализаторлардың металл катализаторларымен салыстырғанда тұрақтылығы жақсырақ және дезактивация жылдамдығы төмен, бірақ металл катализаторларымен салыстырғанда метанның конверсиясы нашар екені анықталды. Әдетте никель негізіндегі металл катализаторлар мен никель қоспаланған көміртекті катализаторлар басқаларына қарағанда белсендірек.
01.02.01. Сутегін бөлудің асқын кернеуін азайту үшін жаңа каталитикалық жүйелерді таңдау
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының ғылыми қызметкері Т.Р. Туленбергенов
Сутегін алу үшін сулы ерітінділерді электролиздеу процесінің маңыздылығы қарастырылды және сутегін алу үшін қондырғыларды жаңғыртылған энергия көздерімен біріктірудің перспективасы көрсетілді. Сутегін алуда энергияның көп шығындалу проблемасы және оны шешу жолдары көрсетілді. Ерітінділерді электролиздеу әдісімен сутегін алу үшін негізгі электролиттер (қышқылды және сілтілі) қарастырылды. Қышқылды және сілтілі электролиттердің артықшылықтары мен кемшіліктері көрсетілді, олардың негізінде энергияны аз шығындауына және өндірімділігінің жоғары болуына байланысты сілтілі электролиттер таңдап алынды (сілтілі ерітінділер үшін жүздеген H2 м3/сағ қышқылды ерітінділер үшін ондаған Н2 м3/сағ қарсы). Электрод материалдардың тұтастай алғанда процестің энергия шығынына әсері зерделенді және электрхимиялық әдіспен сутегін генерациялауға арналған қолданыстағы электродтық материалдардың тізімі келтірілді. СБР үшін электродтық материалдарды таңдауды бағалау критерилері егжей-тегжейлі қарастырылды, олар кейін практикалық бөлімде электродтық материалдарды зерттеу және оңтайландыру кезінде пайдаланылатын болады.
01.03.01. LaNi5 негізінде металгидридті жүйелердің құрылымдық-фазалық жай-күйін қалыптастыру және басқару тәсілдерін әзірлеу
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының аға ғылыми қызметкері, PhD, Н.М. Мухамедова
Шетелдік ғылыми-техникалық әдебиеттерді теориялық талдау нәтижесінде LaNi5 негізіндегі материалдар сутекті сақтауға арналған материалдар ретінде өте перспективалы екендігі анықталды. V, Mg, Al, Co сияқты қоспалағыш элементтерді қосу сутектің сорбциясы мен десорбциясы кинетикасына әсер етуге мүмкіндік береді. Көп компонентті композиттердің жақсартылған кинетикасы анықталды, бұл гидридтің пайда болуы фазалық шекаралар саны көп болған кезде оңайырақ болатындығымен түсіндіріледі. Механикалық синтездің ұзақтығы ұнтақты қоспаларының құрылымына әсер ететіні белгілі. Ұзақ уақыт өңдеу энергияның жоғарылауына және механикалық әсерлерді қарқындатуға әкелуі мүмкін, бұл қоспаланатын компоненттердің біркелкі таралуына және материалдың тұрақты құрылымының қалыптасуына ықпал етеді. Алайда, ұзақ уақыт өңдеу температураның жоғарылауына әкелуі мүмкін, бұл компоненттердің диффузия және сегрегация процестеріне әсер етуі мүмкін, сондықтан өңдеудің оңтайлы ұзақтығын мұқият тексеру керек. Механикалық синтездің әртүрлі уақыт аралықтарын пайдалану синтездің ең жақсы нәтижелерін, соның ішінде бөлшектердің өлшемін максималды азайтуды және біртекті микроқұрылымды алуды қамтамасыз ететін оңтайлы уақытты анықтайды.
01.05.01. Сутекті көп қажет ететін полимерлі-көміртекті композиттік материалдарды алу тәсілін әзірлеу. Үшөлшемді мезокеуекті сутекті конденсаторды алу үшін целлюлозаның микро- және нанокристалдарын алу
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының аға ғылыми қызметкері, PhD, Н.М. Мухамедова
Жүргізілген талдамалық шолу негізінде ауыл шаруашылығы қалдықтарын тиімді кәдеге жарату жолымен биоматериалдар алу мүмкіндігі жоғары екені анықталды. Осыған байланысты зерттеу нәтижесінде күнбағыс тұқымының қабығы мен соя қабығынан көміртегі материалдары алынып тасталғаны анықталды, ал шығымы соя қабығы үшін 28,6%-ға тең, бұл күнбағыс тұқымының қабығынан 2%-ға артық. Алынған табиғи материалдан өндірілген целлюлозаның шығымы күнбағыс тұқымының қабығынан 50,69%-ды құрайды және соя қабығынан 12%-ға артық. Сонымен қатар, α-целлюлозаның мөлшері 67,53%-ға тең. Бұл соя қабығынан шамамен 10 %-ға артық болды. Барлық алынған материалдардың химиялық құрылымы ИҚ әдісімен көміртегі мен целлюлозаның сәйкестігіне зерттелді. Бетінің морфологиясы бойынша екі шикізаттан алынған көміртектің торлы, бөлінген пішіні, ал целлюлозаның талшықты құрылымы бар екені анықталды. Бұл дегеніміз, біз алынған материалдардың сутекті сақтау және тасымалдау материалдарына тән физикалық-химиялық қасиеттері бар екенін көреміз.
01.06.01. Қабырғаларына каталитикалық қабаттар мен мезокеуекті кремний мембраналары қолданылған өтпелі арналармен макрокеуекті кремний электродтық құрылымдарын әзірлеу
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, А.Ж. Миниязов
Жобаның міндеттерін іске асыру шеңберінде ОЭ электродтарына қойылатын талаптарды қанағаттандыратын макро кеуекті ma-Si алынды. Кремнийдің қоспалық құрамына қойылатын талаптар оны нақты құрылғыларда пайдалануға байланысты. Кремний үлгілеріндегі қоспалардың мөлшері өте аз болғандықтан, индуктивті байланысқан плазмамен атомдық-эмиссиялық талдау әдісі пайдаланылды және құрамындағы химиялық элементтердің аз мөлшерін анықтау әдісі әзірленді. Мезокеуекті кремний мембранасының материалы әзірленді, кеуектердің өлшемі - 98-140 нм, кеуектілігі р 29-35%, бетінің ауданы 260-280 м2/г, меншікті кедергісі ρ 2~6*104 Ом см. Зерттеулер шеңберінде кеуекті кремний матрица, ал гелді протон өткізгіш электролит толтырғыш болып табылатын, композиттік мезокеуекті кремний мембранасына арналған материал әзірледі. Кеуектерін тереңірек өңдеу әдетте электролиттің арна тереңдігі арқылы сарқылу процесімен шектеледі және қабырғалардың пассивациясының бұзылуы ретінде көрінеді, бұл кеуектерді шетке қарай өңдеуге әкеледі. Кеуекті кремнийді пайдаланудың негізгі артықшылықтары мембрана гельденген кезде полимер құрылымынан электролиттің шайылуы азаяды. Кремний электродтарын жасау үшін перспективалы материал ретінде қызмет ете алатын мезокеуекті кремний негізіндегі композиттік үлгілерді әзірлеу бойынша эксперименттер жүргізілді. Кеуекті кремний матрицасы үшін перспективалы нанокатализаторлар анықталды, таңдау өлшемі 1,5 нм-ден кем катализаторлардың координациялық санның төмендеуіне байланысты белсенділігі де төмендеуіне байланысты болды, ал өлшемінің өсуімен катализатордың меншікті беті төмендейді, демек белсенділік.
01.06.02. Нанокатализаторлары бар кеуекті кремний негізіндегі электродтардың материалдары мен дизайнын әзірлеу, кеуектілік деңгейін және графен құрылымдарының түрленуін басқару арқылы электродтық құрылымының қасиеттерін түрлендіру.
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, А.Ж. Миниязов
Синтезделген ерітінділерде әзірленген кремний үлгілерін сіңдіру арқылы алынған композиттердің қасиеттеріне зерттеулер жүргізілді. Бастапқы кремний төсемдерінің үлгілері түрлендіргіш ерітінділерде ұсталды, содан кейін ББЗ-дан және еріткіштен жуылып, бөлме температурасында кептірілді. Үлгілерді дистилденген сумен 15-20 минут ішінде жуу кезінде композиттің бетінен нанобөлшектердің 10%-ы ғана жойылатыны анықталды. ББЗ-ны толығымен жою үшін 3 сағат ішінде 4500 С-та күйдіру қолданылды, мұндай өңдеуден кейін ББЗ беттен толығымен жойылады. Оптикалық сіңіру спектрлерінің интегралдық қарқындылығының өзгеруі бойынша бастапқы сіңдіруде кеуекті кремнийге палладийдің 17,9%-ға дейін және бастапқы ерітінділердегі платинаның 19,0%-ға дейін сіңірілетіні анықталды. Катализатордың белсенді фазасы анаэробты жағдайда металл иондарын радиациялық-химиялық қалпына келтіру әдісімен палладий және платина нанобөлшектері бар кері мицеллярлық ерітінділерден алынды. Кері мицеллалар – сулы ерітіндінің микро тамшылары - органикалық еріткіште беттік белсенді затпен (ББЗ) тұрақтандырылған пулдар. Синтез шарттарын (реагенттердің концентрациясы) өзгерту арқылы түзілетін бөлшектердің өлшемдерін басқаруға болады.
01.07.01 Белсендірілген көмір негізінде оңтайлы тасымалдағышты таңдау және оларды түрлендіру тәсілін әзірлеу: КҚ мен КҚ қышқылды және термиялық өңдеу. Физикалық-химиялық қасиеттерін зерделеу.
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, А.Ж. Миниязов
Ауыл шаруашылық қалдықтарынан (күнбағыс, соя және күріш қабығы) алынған көмірді бастапқы күйінде қышқылмен өңдегеннен кейінгі оның күйі зерделенді. Көмір үш түрлі ауыл шаруашылық қалдықтарынан да алынуы мүмкін екендігі анықталды, дегенмен күріш қабығының өнімділігі соя мен күнбағысқа қарағанда 10-15%-ға жоғары. Қышқылмен өңдегеннен кейін көмірдің шығымы азаятыны байқалады, қышқыл көмірдің құрамындағы қосалқы заттарға әсер ететіні және ерітіндінің құрамына суспензия түрінде өту арқылы шығымдылығын төмендететіні анықталды. Алынған көмірлер арасында күнбағыс қабығынан алынған көмірдің бастапқы күйі, қышқылмен жуылған күй, басқалармен салыстырғанда жоғары болды, ал керісінше, күріш қабығы 10-25%-ға төмен, ал қышқылмен жуғаннан кейін де ылғалдылық күнбағыс қабығымен салыстырғанда 5-5,5 есе аз екендігі анықталды, концентрациясы қышқылмен жуу 50% ылғалдылықтың жоғарылауына әкеледі. Ауыл шаруашылық қалдықтарынан алынған көмір адсорбциялық қабілетін, полярлығы мен термиялық тұрақтылығын сақтай отырып, қышқылмен жуғаннан кейін бастапқы кеуекті құрылымын сақтайтыны анықталды. Қалдықтардың осы үш түрінен алынған көмірдің ішінде күріш қабығының күлі басқа соя мен күнбағыс қабығынан алынған көмірге қарағанда 10-15 есе жоғары екендігі анықталды. Қалдықтардан алынған көмірдің бастапқы күйінде сорбциялық тұрақты екендігі анықталды, қышқылмен жуғаннан кейін қышқыл олардың құрылымындағы кеуектерді бұзады. Алынған көмірдің бастапқы күйі, тіпті қышқылмен жуғаннан кейін де, құрамында оттегі бар топтардың үлесінде үлкен айырмашылық жоқ екендігі анықталды. Тұтастай алғанда, күнбағыс, соя және күріш қабығынан алынған көмірді термогравиметриялық талдау нәтижелері оның ауыл шаруашылық қалдықтарынан, яғни күнбағыс, соя және күріш қабығынан алынған көмірдің жоғары физикалық-химиялық қасиеттері бар екенін ескеріп, зерттеу нәтижелеріне сүйене отырып, температураның ыдырауы мен жаппай шығындар бойынша айтарлықтай өзгерістерге ұшырамайтынын көрсетті және оны коммерциялық белсендірілген көмірдің орнына қолдануға барлық негіз бар.
01.08.01. Металгидридті электродқа арналған меншікті сыйымдылығы мен төзімділігі жоғары жаңа материалдар мен композицияларды әзірлеу
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, А.Ж. Миниязов
Сутегін алудың қолданыстағы әдістері қарастырылды және олардың тиімділігіне талдау жасалды. Сутегін алудың қолданыстағы сұлбалары көрсетілді, бұл барлық жағдайда оны кейінірек пайдалану үшін сутекті сақтау станцияларын пайдалану қажет екенін көрсетеді. Молекулалық сутекті сақтау сатысы жоқ токтың электрхимиялық көзінде сутегі протонының жұмысы арқылы энергияны сақтау сұлбасы ұсынылды.
01.08.02. Энергияны түрлендірудің электрхимиялық көздері үшін электродтық материалдар ретінде қазақстандық сутегін сіңіргіш материалдардың жұмысқа қабілеттілігін бағалау
Кезеңнің жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, Миниязов А.Ж.
Нақты Ni-MeH параметрлерін тестілеу және анықтау арқылы Ni-MeH батареясының конструкциясы көрсетілді. Жобаны іске асыру кезінде зерттеу тобы осы батареяның анодтық материалын синтездеуге, оның қасиеттерін оңтайландыруға және Қазақстан нарығында батареялардың осы түрін коммерцияландыру үшін негіз қалауға бағытталған.
2024 ЖЫЛҒЫ НӘТИЖЕЛЕР:
1-бөлім.
Сутегі мен көміртегін алу кезінде АЖЖ-разрядында қолдану үшін катализаторларды таңдау бойынша әдістемелік ұсынымдар әзірленді (30.10.2024 жылғы № 14-250-02/45 әдістемелік ұсынымдар).
2D материалдардың беткі функционалдық топтарының саны мен табиғат арасындағы өзара байланысты талдау және олардың сутегінің бөліну процестеріндегі каталитикалық қасиеттері орындалды (15.07.2024 жылғы № 14-250-02/4а акті).
2-бөлім.
Al, V және басқа металдармен легирлеумен сутекті кері сақтау үшін LaNi5+Mex негізінде ұсақ дисперсті тиімді сутекті сіңіргіш материалдардың үлгілері алынды және алу режиміне байланысты олардың қасиеттері зерттелді (27.03.2024 жылғы 12-230-02/67 актісі, 28.06.2024 жылғы № 12-230-02/145 хаттама, 26.08.2024 жылғы № 14-250-02/18а хаттама).
Гидрлеудің/дегидрлеудің бірнеше рет жүктемелері жағдайында LaNi5+Mex негізінде сутекті сақтаудың ұсақ дисперсті жүйелерінің қайтымды сутекті сіңіру қабілетінің ресурсы туралы деректер алынды. Гидридтердің циклдік тұрақтылығын айқындайтын негізгі факторлар: үлкен қайтарымсыз деформациялардың, қысымның, құрылымдық-фазалық жағдайлардың пайда болу температуралық аралығы (28.06.2024 ж. № 12-230-02/144 актісі, 28.10.24 ж. № 14-250-02/42 актісі).
Тігін агенті ретінде МБААмды пайдалана отырып, Аам және РААм-мен целлюлоза микротолқынының жеке реакциясы арқылы тиімді полимерлейтін материалды зерттеу нәтижелері. Конденсаторларға механикалық беріктікті беру үшін целлюлоза нанолокондарының оңтайлы саны. Алынған материалдардың физикалық-химиялық және механикалық қасиеттері туралы деректер. Графен тәрізді материалдармен түрлендіру жолымен сорбциялық сипаттамалары жақсартылған сутегінің 3D мезопорлы конденсаторының үлгілері алынады және түрлендіргіштің оңтайлы түрі, саны, арақатынасы айқындалады және физикалық-химиялық қасиеттері зерттеледі (31.07.2024 жылғы № 14-250-02/5а актісі).
3-бөлім.
Электродты материалдар мен ЭТӘ блогын сынау бойынша зерттеу нәтижелері, ұсынылған материалдарды салыстырмалы талдау, сондай-ақ сорбент материалдардың жұмыс қабілеттілігін сынау нәтижелері және сутегін жинақтаудың электрохимиялық және металлгидридтік тәсілінде қолдану мүмкіндігін бағалау (31.10.2024 ж. № 14-250-02/48 акті).
Макрокеуекті кремнийдің меншікті кедергісінің қасиеттері анықталды, қатты электролит материалы әзірленді және оның қасиеттері туралы деректер алынды. Кезең-кезеңмен үдеріс жолымен кремнийдің бастапқы пластиналарында ұнтақтарды химиялық өңдеу бойынша эксперименттік жұмыстар жүргізілді (31.10.2024 жылғы № 14-205-02/49 хаттама).
Оңтайлы түрлендіргіш агенттер алынды және тасымалдаушы ретінде пайдалану үшін белсендірілген көмірді түрлендіру режимі айқындалды. Белсендірілген көмірді дайындау үшін материалдар ретінде Қызылорда мен Шығыс Қазақстан облысында жиналған күріш қауызы, соя және күнбағыс қауызы пайдаланылды. Белсендіру процесі KOH, NaOH, H₂SO₄ (5% және 15%), HCl (5%), NaCl (5%) және H₃PO₄ (15%) сияқты әртүрлі реагенттермен химиялық өңдеуді қамтыды, бұл көмірдің адсорбциялық қасиеттерін арттыруға мүмкіндік берді (28.10.2024 жылғы № 14-250-02/42а акті).
Өтпелі металдардың нанобөлшектерін жағу үшін белсендірілген көмірдің дайын үлгілері алынды және олардың физикалық-химиялық сипаттамалары белгіленді. Көміртекті тасығыштарды ылғалды сіңдіру әдісімен, кейіннен NaBH4 пайдалана отырып, металдар иондарын қалпына келтірумен жүргізілген монометалдық (10Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm) және биметалдық (3Pd-7Cu/ACm, 3Pd-7Fe/ACm) катализаторлар синтезі жүзеге асырылды (31.10.2024 жылғы № 14-250-02/50 акті).
Микро- және нанокристалды целлюлоза мен графен тәрізді материалдар негізінде 3D микрокеуекті сутегі конденсаторларын әзірлеу технологиясы пысықталды. 3D-мезокеуекті конденсаторды әзірлеу технологиясы жоғары сорбциялық қабілеттілік, механикалық беріктік және термиялық тұрақтылық сияқты оңтайлы сипаттамаларға қол жеткізу үшін материалдарды синтездеу, модификациялау және тестілеуді қамтиды (02.10.2024 жылғы
№ 14-250-02/37а акті).
Төмен температура кезінде композитті электродтың сипаттамаларының сақталу дәрежесі туралы деректер алынды. Зерттеу көрсеткендей, төмен температура жағдайында LaNi5 негізіндегі аккумуляторлардың жұмысы үшін KOH негізіндегі электролит неғұрлым тиімді болып табылады. CO32-, PO43- және F- сияқты аниондар электрохимиялық мінез-құлықты жақсартады, ал басқалары, мысалы, NO3- және I - әлсіз тиімділікті көрсетеді (31.10.2024 жылғы № 14-250-02/51 акті).
01.01.02. АЖЖ-разрядты қолдана отырып метанның ыдырауының ең жоғары дәрежесін айқындау, сондай-ақ ең аз энергия шығындарымен эксперименттік деректерді айқындау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының аға ғылыми қызметкері Т.Р. Туленбергенов
Сутегі мен көміртегін алу кезінде АЖЖ-разрядында қолдану үшін катализаторларды таңдау бойынша талдау орындалды. Катализаторларды қолдана отырып, АЖЖ-разрядтағы метанды пиролиздеу нәтижесінде сутегі мен көміртекті алу туралы әдеби шолу келтірілген. ПМ-6 қолданбалы зерттеулеріне арналған қондырғыда АЖЖ разрядында метан пиролизінің көмегімен сутегі алу бойынша эксперименттік зерттеулер орындалды. Қондырғы параметрлерінің (АЖЖ-разряд қуаты және газ шығыны) метан конверсиясының дәрежесіне әсерін көрсететін катализаторсыз эксперименттердің нәтижелері ұсынылды. Магнетронның АЖЖ қуатының артуы метан конверсиясы мен сутегінің селективтілігі дәрежесінің артуына алып келмейтіні анықталды. Сондай-ақ, метанның көлемдік шығысының ұлғаюы мақсатты өнім - сутегі шоғырлануының ұлғаюына ықпал етпейді. Құрамында никелі әртүрлі металл катализаторды қолдана отырып, метанның ыдырауының ең жоғары деңгейін анықтау бойынша эксперименттер жүргізілді. Метан конверсиясы дәрежесін және сутегінің селективтілігін арттыру үшін метал катализатордағы Ni құрамының артуы тиімді екені анықталды. Құрамында 8 ат. % никель бар, электрохимиялық тәсілмен тұндырылған катализатор сутегі селективтілігінің ең жоғары мәнін көрсетті. Метан конверсиясының ең жоғары дәрежесі (32 ± 2) % дейінгі және 0,6 кВт разрядтағы АЖЖ қуаты, метан шығыны 0,25 ± 0,05 л/мин және аргон (8 ± 0,2) л/мин болған кезде сутегінің селективтілігі (85 ± 1) % дейінгі АЖЖ разрядтағы катализаторды пайдалана отырып сутегі алу технологиясы.
01.02.02. 2D материалдардың беткі топтарының сутегінің бөліну процесінің каталитикалық қасиеттеріне әсерін зерттеу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының аға ғылыми қызметкері Т.Р. Туленбергенов
2D материалдардың беткі топтарының сутегінің бөліну процесінің каталитикалық қасиеттеріне әсерін зерттеу бойынша жүргізілген эксперименттердің нәтижелері зерттелген катализаторлардың арасында РВВ бойынша (сутегінің бөліну реакциясы) ең көп каталитикалық белсенділіктің үш тәулік ішінде тотыққан MXene (10 мА/см2 кезінде минус 301 мВ кернеудің ұлғаюы) және біртіндеп қыздыру (минус 180 мВ) кезінде күкіртпен модификацияланған MXene. Асқын кернеу көрсеткіштері платина катализаторына қарағанда (таза платина үшін минус 130 мВ) жоғары болғанына қарамастан, олар алтын, күміс және палладий сияқты асыл металдарға қарағанда - тиісінше минус 720 мВ, минус 700 мВ және минус 400 мВ төмен. Оның үстіне, осы жұмыстан алынған MXene/S-1 басқа жұмыстардан асыл емес металдар негізіндегі катализаторлармен салыстыру оның тиімділігі әлемде әзірленетін РВВ катализаторларының орташа деңгейіне сәйкес келетінін көрсетті. Мысалы, әдебиетте тиімділігі аз материалдар туралы деректер бар (NiFeLDH-NS минус 300 мВ @DG10, Co9S8 -900 @NOSC -320 мВ) және одан да (MoNi4 қорытпасында минус 15 мВ, F-Ni3S4-те минус 29 мВ), сондай-ақ біз алған катализатормен бір деңгейде - NiCo2O4/TiO2-де минус 185 мВ, FeSe2/NF-де минус 178 мВ және Ni-де минус 180 мВ Co2N/NF. Бұл осы жұмыста алынған катализаторлардың айтарлықтай жоғары тиімділігін, сондай-ақ одан да жоғары тиімділікке қол жеткізу үшін зерттеулерді жалғастыру қажеттігін білдіреді.
01.03.02. А1, У және т.б. қоспалаумен металл гидридті қолдануға арналған LaNi5 негізінде болжамды құрылымдық-фазалық жай-күйі бар ұсақ дисперсті композициялық ұнтақтарды алу.
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, PhD, Н.М. Мухамедова
Жоба міндеттерін іске асыру шеңберінде топографиялық және композициялық контраст режиміндегі LaNi5 негізінде механикалық синтезделген ұнтақ қоспаларын сканерлейтін электрондық микроскопия әдісімен бірдей жағдайларда процесс нәтижесінде ұнтақтау шарларының ұнтаққа арақатынасы елеулі әсер ететіні анықталды. Қоспаларды синтездеу нәтижесінде алынған бөлшектердің мөлшерін бағалау кезінде ұнтақ санына қатысты ұнтақтау шарлары санының ұлғаюы неғұрлым ұсақ дисперсті қоспаның пайда болуына алып келетіні анықталды. Шарлар мен ұнтақ арақатынасын пайдалану кезінде алынған тамшы тәрізді бөлшектер «дұрыс емес» шар нысанында болады: сопақша немесе тегістелген. Қоспа бөлшектердің біркелкі таралуымен сипатталады. Барлық үлгілердегі кристаллиттердің мөлшері 15,35-тен 83,44 нм-ге дейін өзгереді, бұл шағын мөлшерге сәйкес келеді. Мұндай кішігірім кристаллиттер кристалды тордың деформациясына ықпал етуі мүмкін, өйткені шыңдардың кеңеюі шағын көлемді кристаллиттердегі құрылымның аз реттілігімен байланысты. Үлгілердің фазалық құрамының негізін негізінен үлгілердің тотығу процесімен байланысты гидроксидті және оксидті фазалар (La(OH)3, La2O3) құрайды. Механикалық синтезделген ұнтақ қоспаларының ШПЖ әдісімен алынған барлық үлгілерде кеуектерсіз және шамалы жарықтармен біртекті көп фазалы құрылым байқалады. Зерттеулер химиялық құрамға байланысты элементтердің бөлінуі мен құрылымның морфологиясы жан-жақты сипатта екенін көрсетті, атап айтқанда, әртүрлі модификацияларда LaNi5, NiV, Ni сияқты екінші фазалар пайда болады. Барлық үлгілерге кубтық кристалды торы бар (кеңістіктік тобы Ia-3) лантан оксидінің фазасы тән, тордың параметрі a=b=c=1,1418 нм. Алайда дифракциялық желілер қарқындылығының төмендеуі байқалады. Жоғары қарқындылығы бар шыңдар текше кристалды торлы никельге (Ni) тиесілі (Fm-3m кеңістіктік тобы), тордың параметрі a=b=c=0,3523 нм, сондай-ақ МС-дан кейінгі үлгілердегі сияқты.
01.04.01. LaNi5 негізінде сутекті сақтаудың механикалық қоспаланған композициялық жүйелерінің сутекті жинақтау қасиеттері
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, PhD, Н.М. Мухамедова
Жүргізілген талдау нәтижесінде 50 оС температура кезіндегі қысымға байланысты адсорбция және десорбция процестері зерттелді. Адсорбцияланған газдың мөлшері қысымның өсуімен ұлғайып, ең жоғарғы мәні 3,5 см³/г жетті. Кесте адсорбция және десорбция қисықтары арасында гистерезис әсерінің болуын көрсетті. Бұл феномен материалдың кеуектілігін және газды адсорбентпен байланыстыру ерекшеліктерін көрсетеді. Гистерезистің болуы десорбциядан кейін материалда газ молекулаларының белгілі бір мөлшерінің қалатынын білдіреді. Кестенің бастапқы учаскесінде адсорбция мен қысым арасындағы сызықтық тәуелділік байқалды. Бұл төмен қысым кезінде адсорбция тепе-теңдік жағдайында өтетінін көрсетеді. Сорбцияның кинетикалық қисығы қанығу уақытының ұлғаюымен сутегі құрамының ұлғаюын көрсетеді. Сынақтың басында алынған нәтижелерге сәйкес алғашқы 7-8 минут ішінде сутегінің сіңірілуі іс жүзінде болмайды және уақыттың ұлғаюымен тепе-теңдікке қол жеткізу сәтіне дейін сіңіру қарқындылығы артады. 50°С температурада және 20 Бар қысымда тепе-теңдікке қол жеткізу үшін шамамен 60 минут қажет. Десорбцияның кинетикалық қисығы сутегінің құрамы алғашқы минуттардан бастап төмендей бастайтынын көрсетеді. Бұл ретте Al қосу арқылы кинетикалық қисықтар мен сорбциялар және десорбциялар неғұрлым біркелкі сипатқа ие екенін атап өткен жөн. 75°С температурада және 25 Бар қысымда тепе-теңдікке қол жеткізу үшін шамамен 60 минут қажет. Қанығу кезіндегі сутегі кинетикасының осындай сипаты зерттелетін материалдардың бетінің тотығуына байланысты болуы мүмкін. Гексоганальды және текше құрылымды LaNi5 негізінде СЖЖ бетінің тотығуына сорбция/десорбция процестерінің ұзақтығы (60 минуттан астам) ықпал етеді.
01.05.02. Сутекті сыйымды полимер-көміртекті композитті материалдарды алу тәсілін әзірлеу: Аам және ПААм мономерлері негізінде целлюлозды микротолқындарды сополимерлеу. Механикалық беріктікті қамтамасыз ететін целлюлозды нанолталшықтардың тиімді салмақтық үлесін айқындау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, PhD, Н.М. Мухамедова
Жобаның міндеттерін іске асыру шеңберінде полимерлі-көміртекті композициялық материалдарды алу тәсілі әзірленді, микро- және нанокристалды целлюлоза негізінде сутегінің 3D микрокеуекті конденсаторы әзірленді, кремний қалқандары арасындағы қабырғаларды диффузиялық қоспалауға зерттеу жүргізілді, кремний кеуектігінің меншікті кедергісін бағалау жүргізілді, сондай-ақ мембраналық-электродтық блоктың аноды мен катодын өзара оқшаулау үшін электрондардың жоғары кедергісі бар мезопорлы кремний әзірленіп, зерттелді. Күшейтілген қатты электролит алу мақсатында иондық өткізгіштігі бар материалмен кремний мезокеуектерінің бетін түрлендіру жүзеге асырылды. Кеуекті кремний негізінде протон өткізгіш мембрананың газ өткізбеушілігі зерттелді. Акриламидті және полиакриламидті мономерлері бар целлюлозды микротолқындарды сополимерлеу жолымен сутекті сыйымдылығы бар полимерлі-көміртекті композициялық материалдар алу тәсілі әзірленді. Алынған нәтижелер бойынша микрокристалды целлюлоза мен полиакриламид тиiмдi сополимерлендiрiлетiн мономер ретiнде тиiмдi екендiгi анықталды. Бұдан басқа, полиакриламидпен бірге полимерлеу кезінде микрокристалды целлюлозаның тиімді шоғырлануы 3% -ды құрады; сондай-ақ бұл жағдайда механикалық беріктік 132 кПа-ға дейінгі қысымға төзетіндігі және одан әрі деформацияға ұшырайтыны анықталды. Бұдан басқа, полиакриламидпен бірге полимерлеу кезінде микрокристалды целлюлозаның тиімді шоғырлануы 3% -ды құрады; сондай-ақ бұл жағдайда механикалық беріктік 132 кПа-ға дейінгі қысымға төзетіндігі және одан әрі деформацияға ұшырайтыны анықталды. Өсімдік шикізаты мен графен тәрізді материалдардан жасалған микро- және нанокристалды целлюлоза негізінде сутегінің 3D микропорлы конденсаторы әзірленді. Олардың физикалық-химиялық сипаттамалары, сутегі сыйымдылығының және сорбция/десорбция процесіне әсер ететін физикалық факторлардың оңтайлы жағдайлары айқындалды. Зерттеу нәтижелері бойынша графен оксиді сияқты көміртегі материалдарын қосу целлюлоза негізіндегі композиттің химиялық құрылымы мен термиялық тұрақтылығына теріс әсер етпейтіні анықталды.
01.05.03. Өсімдік шикізаты мен графен тәрізді материалдардан жасалған микро- және нанокристалды целлюлоза негізінде сутегінің 3D микрокеуекті конденсаторын әзірлеу, олардың физикалық-химиялық сипаттамаларын, сутегі сыйымдылығының оңтайлы жағдайларын және сіңіру/десорбция процесіне әсер ететін физикалық факторларды айқындау. In-situ әдісімен сутегінің 3D мезокеуекті конденсаторының көлеміне графен тәрізді материалдарды (қалпына келтірілмеген және қалпына келтірілген) иммобилизациялау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов
Графен тәрізді материалдармен модификациялау жолымен сорбциялық сипаттамалары жақсартылған сутегінің 3D мезокеуекті конденсаторының үлгілері алынды және модификатордың оңтайлы түрі, саны, арақатынасы айқындалды және физикалық-химиялық қасиеттері зерттелді. Олардың физикалық-химиялық сипаттамалары, сутегі сыйымдылығының және сорбция/десорбция процесіне әсер ететін физикалық факторлардың оңтайлы жағдайлары айқындалды. Жүргізілген зерттеулердің нәтижелері бойынша графен оксиді сияқты көміртегі материалдарын қосу целлюлоза негізіндегі композиттің химиялық құрылымы мен термиялық тұрақтылығына теріс әсер етпейтіні анықталды. Құрамында 1%, 3% және 5% графен оксиді сияқты көміртекті материалмен иммобилизацияланған аэрогелдің механикалық беріктігі 140 кПа қысымға шыдауға және одан әрі деформацияға ұшырауға мүмкіндік береді. Алайда, 5% графен оксиді сияқты көміртекті материалы бар аэрогельдер 1% және 3% салыстырғанда қысым астындағы тұрақтылықтың 1,5 және 1,2 есе көп уақытына ие екені анықталды.
Алынған нәтижелерге сүйене отырып, графен оксиді сияқты көміртекті материалмен иммобилизацияланған микро- және нанокристалды целлюлоза негізіндегі 3D-материалдың сутекті сіңіретін материал ретінде пайдалану үшін елеулі әлеуеті бар деп қорытынды жасауға болады.
01.06.03. Кремний кеуектері арасындағы қабырғаларды диффузиялық қоспалауды зерттеу, макрокеуекті кремнийдің меншікті кедергісін бағалау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов
Отын элементінің мембранасы ретінде кеуекті кремнийді зерттеу жүргізілді. Бұл үшін кремнийдің бастапқы пластиналарында кезеңдік процесс арқылы ұнтақтарды химиялық өңдеу бойынша эксперименттік жұмыстар жүргізілді: азот қышқылы күміс тұзынан күміс катализаторын жағу; сутегі тотығы бар плавик қышқылы ерітіндісіндегі кеуектердің өсуі; азот қышқылында өңдеу арқылы күмістің нанобөлшектерін алып тастау. Кеуекті кремний матрицасы және толтырғыш - гельді протон өткізгіш электролит негізінде алынған композиттік құрамның үлгісі механикалық тұрғыдан неғұрлым тұрақты құрылымдарды қалыптастыруға мүмкіндік береді. Электролитті кеуекті кремний матрицасының құрылымына капсулалау мембрананың механикалық беріктігін едәуір арттырады, сондай-ақ протон өткізгіш мембраналарда протон доноры ретінде протонды иондық сұйықтықтарды пайдалану перспективаларын көрсетеді.
Салыстырмалы макрокеуекті кремнийдің қасиеттері анықталды. «Кеуекті кремний/тұндырылған Ме» сияқты құрылымдардың қасиеттері металдардың электрохимиялық тұндыру режимдерін, сондай-ақ металдардың өзін және кеуекті кремнийдің құрылымын өзгерту мүмкіндігінің арқасында кең шектерде өзгеруі мүмкін.
Меншікті кедергі деректеріне сәйкес Ме және гель электролиті бар кремний үлгілерінің салыстырмалы талдауы, гель электролиті бар кремний үлгісінің кедергісі аз, бұл оны ОЭ МЭБ -де қолдану тиімділігі тұрғысынан неғұрлым тартымды етеді.
Зерттелетін үлгілердің барлық қасиеттерінің жиынтығы отын элементінің мембранасы ретінде пайдалану үшін оларды таңдау мүмкіндігіне негізделеді.
01.06.04. ОЭ МЭБ мембраналық-электродтық блогының аноды мен катодын өзара оқшаулау үшін электрондардың жоғары кедергісі бар мезопорлы кремнийді әзірлеу және зерттеу. Арматураланған қатты электролит алу мақсатында кремний мезокеуектерін иондық өткізгіштігі бар материалмен бетін түрлендіру/толтыру. Протон өткізгіш мембрананың газ өткізбеушілік қасиеттерін зерттеу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов
Жобаның міндеттерін іске асыру шеңберінде қатты электролит материалы мен оның қасиеттері туралы деректер алынды. Кезең-кезеңмен үдеріс жолымен кремнийдің бастапқы пластиналарында ұнтақтарды химиялық өңдеу бойынша эксперименттік жұмыстар жүргізілді: азот қышқылы күміс тұзынан күміс катализаторын жағу; сутегі тотығы бар плавик қышқылы ерітіндісіндегі кеуектердің өсуі; азот қышқылында өңдеу арқылы күмістің нанобөлшектерін алып тастау. Нәтижесінде 0,2-0,4 мм қалыңдықтағы кеуекті кремний үлгілері алынды. Құрылым кремний матрицасының ішіндегі арналар желісімен сипатталады, кеуектер анық шеттерімен және шығыңқы түзілімдерімен айқын көрінеді, беті біртекті, ал кеуектер беті бойынша біркелкі орналасқан, құрылым кеуектіліктің жеткілікті жоғары деңгейін көрсетеді.
Кеуекті кремнийді адсорбциялық порометрия әдісімен зерттеу жүргізілді. Өлшеулер үлгілерді газсыздандыру үшін алдын ала вакуумдаудан кейін ВЭТ (Брунауэр-Эммет-Теллер әдісін пайдалана отырып меншікті бетті өлшеу) және BJH әдістерімен эксперименттік деректерді кейіннен өңдеумен жүргізілді (көздердің жалпы көлемі мен мөлшерін бөлу Барретта-Джойнер-Халенд әдісімен десорбция изотермасы қисығы бойынша анықталған). Алынған деректер микрокеуектерге (0,35-2 нм), мезокеуектерге (2-10 нм) және кеуектерге (10-50 нм, 50-200 нм) сегменттеледі. Бұл ретте, 10-50 нм мөлшеріндегі кеуектер кеуектер көлемінің ең үлкен үлесін (81,38%) алады, ал 2-10 нм мөлшеріндегі кеуектер жалпы кеуектер көлемінің 15,91% -ын құрайды, 50-200 нм мөлшеріндегі кеуектердің үлесі аз, бұл жалпы көлемнің 2,71% -ын құрайды. Ұңғы бетінің ауданы мынадай нәтижелермен берілген: мезокеуектер (2-10 нм) ұңғы бетінің ең үлкен ауданын (74,43%), 10-50 нм кеуектері - жер бетінің ауданынан 25,39%, ал макрокеуектер (50-200 нм) ауданның 0,18% ғана алады. Ме шөгуі кеуекті кремний қасиеттерінің өзгеруіне әкелуі мүмкін, сондықтан алынған үлгілердің протон өткізгіштігі өлшенді және DEMA/TfO гель өткізгіш электролитін қоса отырып, кеуекті кремний үлгісінің протон өткізгіштігімен салыстырылды.
Талдау нәтижелері бойынша 27% сенсорлық сарыны бар гель толтырғышы бар кеуекті кремний үлгісінің газ өткізгіштігі төмендегені анықталды, бұл ОЭ-нің газ өткізгіш мембранасы ретінде жарамдылығының жеткіліксіздігі туралы қорытынды жасауға мүмкіндік береді, бірақ қажет болған жағдайда жоғары механикалық тұрақтылық пайдалы болуы мүмкін. 43% сарынды толтырғышы (DEMA/TO) бар үлгі жеткілікті газ өткізгіштікке және каналдар тығыздығына ие. Гель толтырғышы (DEMA/TO) бар кеуекті Si үлгісі ОЭ мембранасы үшін ең жақсы таңдау болып табылады, өйткені ол ОЭ-нің тиімді жұмысын қамтамасыз ете алатын каналдардың тығыздығы мен диаметрі бойынша жеткілікті жоғары газ өткізгіштікке және теңгерімді сипаттамаларға ие.
01.07.02 Белсендірілген көмір негізінде оңтайлы тасығышты таңдау және оларды түрлендіру тәсілін әзірлеу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов
Белсендірілген көмірді дайындау үшін материалдар ретінде Қызылорда мен Шығыс Қазақстан облысында жиналған күріш қауызы, соя және күнбағыс қауызы пайдаланылды. Белсендіру процесі KOH, NaOH, H₂SO₄ (5% және 15%), HCl (5%), NaCl (5%) және H₃PO₄ (15%) сияқты әртүрлі реагенттермен химиялық өңдеуді қамтыды, бұл көмірдің адсорбциялық қасиеттерін арттыруға мүмкіндік берді. Көміртегі тасымалдағыштың тиімділігін арттыру үшін 300-700 °C температурада ұшатын заттарды жою үшін жүзеге асырылатын термиялық өңдеу (карбонизация) әдісі қолданылды. Алынған активтендірілген көмірдің сипаттамалары коммерциялық аналогтармен салыстырылды, бұл оның төмен температуралы отын элементтерінде пайдалану үшін жарамдылығын бағалауға мүмкіндік берді. Нәтижелер ауыл шаруашылығы биоотындарынан алынған белсендірілген көмірдің анағұрлым жоғары адсорбциялық қабілеті мен экологиялық құндылығы бар екенін көрсетті, бұл оны катализаторлар үшін перспективалы және орнықты тасымалдаушы етеді.
01.07.03 Өтпелі металдардың (Cu, Fe, Pd) нанобөлшектерін синтездеу. Түрлендірілген көмір тасымалдағыштардың көлеміне нанобөлшектерді салу тәсілін әзірлеу. Катализаторлардың физикалық-химиялық сипаттамаларын зерттеу. Коммерциялық және синтезделген АУ глюкозамен қоспалау және олардың физикалық-химиялық қасиеттерін зерттеу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов.
Ауыспалы металдардың нанобөлшектерін жағу үшін АУ үлгілері және олардың физикалық-химиялық сипаттамалары алынды. Көміртекті тасығыштарды ылғалды сіңіру әдісімен, кейіннен NaBH4 пайдалана отрып металл иондарын қалпына келтірумен жүргізілген монометалдық (10Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm) және биметалдық (3Pd-7Cu/ACm, 3Pd-7Fe/ACm) катализаторлар синтезі жүзеге асырылды. Көміртегі материалдарының құрылымын модификациялау және олардың сорбциялық қабілетін арттыру үшін глюкоза қосу жолымен өнеркәсіптік және синтезделген активтендірілген көмірді қоспалау қолданылды. Текстуралық сипаттамаларды талдау меншікті беттің және кеуектер көлемінің ұлғаюын көрсетті, бұл металдардың сорбциясын айтарлықтай жақсартты. ИҚ-спектроскопия әдісімен жүргізілген зерттеулер металдардың нанобөлшектері мен көміртекті жеткізгіштің функционалдық топтары арасында химиялық байланыстардың пайда болуын растады, бұл каталитикалық белсенділіктің өсуіне ықпал етеді. Микроскопиялық талдау бөлшектердің өлшемдерін анықтады: палладий үшін 5-15 нм, мыс үшін 8-19 нм және биметалл жүйелері үшін 30-34 нм. Әзірленген әдістер тасығышта металдардың біркелкі таралуын және катализаторлардың физикалық-химиялық сипаттамаларының тұрақтылығын қамтамасыз етеді.
01.08.03. Жоғары қайтарымдылық, қуат және фазалық орнықтылық талаптарына жауап беретін қоспалар компоненттерін таңдау және электрод дайындау технологиясын пысықтау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов
Өздігінен тұтанатын синтез әдісімен LaNi5 электродты материал алынды және оның негізінде металл-гидридті (Ni-MeH) батареялар никелі үшін қолданылатын электрод дайындау технологиясы пысықталды.
Тұздардың ерітінділерінен алынған өздігінен тұтанатын синтез үшін 5 ммоль La(NO3)3·6H2O, 25 ммоль Ni(NO3)3·6H2O және 50 мл суда ерітілген 36 ммоль глицин пайдаланылды. Алынған ерітінді 100 °C-де гель пайда болғанға дейін буландырылды, содан кейін ол муфта пешінде 600 °C-қа дейін (10 °C/мин) және 2 сағат бойы ұсталған кезде өздігінен тұтанды. Одан кейін алынған қара ұнтақты CaH2 және LiCl-мен 1:2: 0,9 салмақтық қатынасында аргон инертті атмосферасында қолғап боксында араластырып, құбырлы пешке апарылған. Пешті бөлме температурасынан 600 °C-қа дейін 5 °С/мин жылдамдықпен қыздырды және осы температурада 5 сағат бойы ұстады. Материалды қалпына келтіру 200 мл/мин ағын жылдамдығымен Ar/H2 (95:5) қоспасы атмосферасында жүргізілді. Алынған өнім жуылғаннан кейін рентген дифрактометриясы және сканерлейтін электрондық микроскопия әдістерімен талданды.
LaNi5 негізінде электродты композит дайындау оларды жасау процесін салыстыру және оңтайландыру үшін үш түрлі тәсілмен жүргізілді. Алынған деректердің негізінде PTFE одан әрі зерттеулер үшін оңтайлы байланыстырушы материал ретінде таңдалды. Болашақта барлық материалдар PTFE пайдалану арқылы жасалады.
01.08.04. Орнықтылықты арттыру және өздігінен разрядты азайту үшін металлогидридтік электродтардың электр химиялық сипаттамаларының температуралық тәуелділігін азайту
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының Орталық директоры, PhD, А.Ж. Миниязов
Төмендегі қосылыстарды қоса алғанда, әртүрлі гидроксидті электролиттердің төмен температураларда аккумуляторлар жұмысына әсеріне зерттеу жүргізілді: NaOH, KOH, RbOH, CsOH. Қоспалар ретінде түрлі тұз қоспалары мен аниондар пайдаланылды: CO32-, PO43-, F-, NO3- және I-. Барлық ерітінділердің концентрациясы 6 М. болды. Тестілеу температурасы: 20 °C, 10 °C, 0 °C, -10 °C, -20 °C. Эксперименттер алдында электродтар сипаттамаларды тұрақтандыру үшін бірнеше циклдарда белсендіруден өтті. Тест аяқталғаннан кейін, электродтардың сыйымдылығы, сондай-ақ бастапқы параметрлердің қалпына келуін бағалау үшін бөлме температурасында өлшенді.
Зерттеу көрсеткендей, төмен температура жағдайында LaNi5 негізіндегі аккумуляторлардың жұмысы үшін KOH негізіндегі электролит неғұрлым тиімді болып табылады. CO32-, PO43- и F- сияқты аниондар электрохимиялық бет алысы жақсартады, ал басқалары, мысалы, NO3- және I - әлсіз тиімділікті көрсетеді. Тұзды қоспалар әсерінің негізгі тетігі электродтардың бетіндегі сутегі байланыстары мен химиялық өзара бет алысы сипатының өзгеруінен тұрады деп болжанады. Мысал ретінде, Cs2CO3 сияқты тұзды қоспаларды қосу төмен температура кезінде аккумуляторлардың пайдалану сипаттамаларын айтарлықтай жақсартады.
2025 ЖЫЛҒЫ НӘТИЖЕЛЕР:
1-бөлім.
Метан пиролизінің АЖЖ-разрядындағы реакциясының қатты өнімдерінің сипаттамалары мен қасиеттерін зерделеу бойынша жұмыстар жүргізілді. Нәтижелері қуаттың өзгеруі алынатын көміртегі материалдарының морфологиясына, құрылымдық сипаттамаларына және кеуектілігіне айтарлықтай әсер ететінін көрсетті (19.09.2025 ж. № 14-250-02/98 хаттама).
Сутектің электрхимиялық генерациясының катализаторлары ретінде 2D материалдарды пайдаланудың экономикалық тиімділігі туралы мәліметтер алынды (14.10.2025 ж.тірк. № 0123РК01187, түгенд. № 0225РК00958 ҒЗЖ туралы қорытынды есеп).
2-бөлім.
Ti, Mn, Co қоспалау арқылы сутекті қайтымды сақтау үшін LaNi5+Mex негізіндегі ұсақ дисперсті тиімді сутекті сіңіретін материалдардың үлгілері алынды және алу режимдеріне байланысты олардың қасиеттері зерделенді (17.03.2025 ж.14-250-02/67 акті, 29.08.2025 ж. №14-250-02/94 хаттама).
500 циклге дейін сутектендіру/сутексіздендіру циклдарында LaNi5Mex негізіндегі сутекті сақтаудың ұсақ дисперсті композициялық жүйесінің циклдік тұрақтылығына кешенді зерттеулер жүргізілді. Циклдік әсер кезінде құрылымдық-фазалық күйдің деградация заңдылықтары. Зерттелетін гидридтердің сорбциялық қасиеттерінің функционалдық деградациясының микроқұрылымдық ерекшеліктері мен механизмдері зерттелді. (10.11.2025 ж. №14-250-02/123 акті).
Сорбциялық сыйымдылық, сутекті ұстау уақыты, сорбция/десорбция, конденсатордың жұмыс циклінің жылдамдығы туралы деректер, сондай-ақ сутектің сорбция/десорбция процесіне әсер ететін факторлар, оның ішінде: температура, қысым, уақыт (14.05.2025 ж. № 14-250-02/77 акті, 14.10.2025 ж. тірк. № 0123РК01187, түгенд.№ 0225РК00958 ҒЗЖ туралы қорытынды есеп).
3-бөлім.
Композициялық кремний электрод құрылымдарының және отын элементінің мембраналық-электрод блогының тәжірибелік үлгілері алынды. Кеуекті кремний негізіндегі электрод материалы әзірленді және сыналды, онда кеуек құрылымына наноөлшемді каталитикалық бөлшектерді енгізу мүмкіндігі бар қалыптасқан жергілікті өлшемді құрылым құрылды (09.01.2025 ж. № 14-250-02/54а акті, 14.10.2025 ж. тірк.№ 0123РК01187, түгенд.№ 0225РК00958 ҒЗЖ туралы қорытынды есеп).
Электрод материалдары мен мембраналық-электрод блогын сынау бойынша зерттеу нәтижелері алынды. МЭБ-ты сынау 20-30%-ға дейін ылғал сіңіру кезінде өткізгіштік төмен және тұрақты, ал ылғал сіңіруді 30%-дан жоғары ұлғайту кезінде өткізгіштіктің күрт өсуі байқалатынын, ылғалмен қанықтыру шамамен 80%-ға жеткенде өткізгіштік тұрақтандырылатынын көрсетті. Вольтампер сипаттамаларын анықтау және МЭБ үлгісінің меншікті қуатын есептеу бойынша сынақтар ток тығыздығының өсуі кезінде кернеудің төмендеуі байқалатынын және қуат максимумына 200-300 мВт/см2 диапазонында қол жеткізілетінін көрсетті (03.04.2025 ж. №14-250-02/71а хаттама, 14.10.2025 ж. тірк.№ 0123РК01187, түгенд.№ 0225РК00958 ҒЗЖ туралы қорытынды есеп).
Cu, Fe, Pd нанобөлшектерінің үлгілері және олардың өлшемдік және оптикалық сипаттамалары алынды. 5Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm монометалл катализаторлары дымқыл сіңдіру әдісімен алынды. Темір, палладий және мыс иондарын белсендірілген көмірге (ACm) жағу үшін концентрациясы 0,001 моль/л FeCl₃·6H₂O, Cu(NO₃)₂·3H₂O және PdCl₂ тұздарының сулы ерітінділері дайындалды (14.05.2025 ж. № 14-250-02/78 акті, 14.10.2025 ж. тірк.№ 0123РК01187, түгенд.№ 0225РК00958 ҒЗЖ туралы қорытынды есеп).
Сутегі энергиясын электр энергиясына айналдыру үшін жетілдірілген немесе жаңа каталитикалық жүйесі бар төмен температуралы отын элементінің тәжірибелі моделі әзірленді. Әзірленген композиттік материалдар негізінде «pouch cell» форматындағы Ni-MH аккумуляторының толық өлшемді макеті құрастырылды және сыналды. Прототип шамамен 1.25 В разрядты платомен тұрақты жұмыс істеуді, ~230 мАч/г жоғары бастапқы меншікті сыйымдылықты және жақсы бастапқы циклдік қабілеттілікті көрсетті (25 циклден кейін сыйымдылықтың 85% сақтау), (14.10.2025 ж. тірк.№ 0123РК01187, түгенд.№ 0225РК00958 ҒЗЖ туралы қорытынды есеп).
01.01.03. АЖЖ-разрядындағы метан пиролизі реакциясының қатты өнімдерін материалтану зерттеулері
Кезең жетекшісі – ҚР ҰЯО бөлім бастығы, Т.Р. Туленбергенов
Жарық өткізгіш электронды микроскопта (ЖЭМ) АЖЖ-разрядындағы метан пиролизі реакциясының қатты өнімдеріне материалтану зерттеулері жүргізілді. Зерттеу нысаны ПM-6 қондырғысында метан пиролизі нәтижесінде алынған көміртегі ұнтақтары. Талдаулар JEOL JEM-1400plus микроскобында 80 кВ-тық үдеткіш кернеуде жүргізілді. Салыстырмалы талдау зерттелетін көміртекті материалдың құрылымы турбостратты графиттің сипаттамаларына сәйкес келетінін растайды, бұл ішкі құрылымның қалыптасуындағы ұқсас механизмдерді көрсетеді. Әртүрлі қуатта (C-1, C-2 және C-3) синтезделген көміртегі үлгілерін ЖЭМ-талдау олардың морфологиясы мен микроқұрылымының ерекшеліктерін анықтауға мүмкіндік берді. Үлгілер графен тәрізді және турбостратты көміртекті наноматериалдарға тән қабаттылық белгілері бар кеуекті құрылымды көрсетеді. C-1 үлгісі негізінен кеуектілігі айқын көрінетін бөлшектердің бос аморфты шоғырларынан тұрады. C-2 үлгісінде турбострат құрылымы бар сфералық құрылымдарды қоса алғанда, жергілікті реттілігі және графен тәрізді фрагменттері бар учаскелер байқалады. C-3 үлгісі ішінара реттелген турбострат жүйесіне тән тұрақты торлы және ақаулы домендерді қоса алғанда, айқын кристалдылықты көрсетеді.
01.02.03. Сутектің электрхимиялық бөліну процестерінде 2D материалдар негізінде катализаторларды пайдаланудың экономикалық тиімділігін бағалау
Кезең жетекшісі – ҚР ҰЯО бөлім бастығы, Т.Р. Туленбергенов
MXene негізіндегі композициялық материалдарға талдау жасалды, оның ішінде асыл металдардың атомдары немесе нанобөлшектері, кобальт фосфидтерінің әртүрлі морфологиясы, өтпелі металдардың қабатты гидроксидтері, MXene құрылымына біріктірілген белгілі бір металорганикалық қаңқалар мен көміртекті нанотүтікшелер кіреді, катод материалдарын таңдаудың экономикалық негіздемесі жасалды. Өтпелі металдар негізіндегі сутектің бөліну реакциясының катализаторларының арасында кейбір белсенді нұсқалар бар, бірақ олардың жалпы проблемасы нанобөлшектердің агрегациясына байланысты меншікті бетінің төмен болуы. MXene класындағы қабатты материалдар - жоғары электр өткізгіштігінің, жақсы химиялық және механикалық тұрақтылығының, сондай-ақ жетілген бетінің және функционалдылық қабілетінің бірегей үйлесімінің арқасында композиттік катализаторларды жасауға арналған тамаша матрица болып табылады. Қарастырылған зерттеулерді талдау MXene негізіндегі композициялық материалдар арасындағы ең жақсы каталитикалық сипаттамалар асыл металдардың атомдарын немесе нанобөлшектерін, кобальт фосфидтерінің әртүрлі морфологияларын, өтпелі металдардың қабатты гидроксидтерін, MXene құрылымына біріктірілген белгілі бір металорганикалық қаңқаларын және көміртекті нанотүтіктерді қамтитын жүйені көрсетеді.
Катализаторлардың каталитикалық белсенділігінен басқа экономикалық тиімділігі де маңызды. Жұмыстың осы бөлігінде қарастырылған синтез шығындарын талдаудың мақсаты оларды РВВ асқын кернеу көрсеткіштерімен салыстыру және терең салыстыру, сондай-ақ жалпы трендтер мен ең тиімді катализаторларды анықтау болды. Баға/тиімділік көрсеткіштерінің ең жақсы үйлесімі мыналарды көрсетті: MWCNT@V2CTx (7 $/синтез, 27 мВ), Ru@Ti3C2Tx-VC (14,1 $/синтез, 35 мВ) және Ru/Ti3C2Tx/NF (21,3 $/синтез, 37 мВ). Сондай-ақ, сирек кездесетін қымбат прекурсорлар, атап айтқанда платина ацетилацетонаты, гексахлорбензол және Pluronics Р-123 блок-сополимері, сондай-ақ MАХ-фазаларының құны және MXene алу үшін сілтілендіргіш агентті таңдау шығындардың өсуіне үлкен әсер ететіні анықталды.
01.03.03. Ni, Mn, Ti қоспалау арқылы металгидридті қолдану үшін LaNi5 негізіндегі болжамды құрылымдық-фазалық күйімен ұсақ дисперсті композициялық ұнтақтарды алу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, PhD, Н.М. Мухамедова
Жобаның міндеттерін іске асыру шеңберінде Ti, Mn, Co қоспалау арқылы сутекті қайтымды сақтау үшін LaNi5+Mex негізіндегі ұсақ дисперсті тиімді сутекті сіңіретін материалдардың үлгілері алынды. Титан қосылған LNT сериялы, марганец қосылған LNM сериялы және кобальт қосылған LNC сериялы ұнтақ қоспасы бөлшектерінің өлшемдері анықталды. Микроскопиялық талдау нәтижелері 36%La-64%Ni-15%Ti қоспасының орташа мөлшері 1:20, 1:30 қатынасында 350, 400 айналым кезінде – 6,15 мкм-ді, 36%La-64%Ni-15%Mn 1:20, 1:30 қатынасында 350, 400 айналым кезінде – 2,29 мкм-ді, сол уақытта 36%La-64%Ni-15%Co бөлшектерінің өлшемі 1:20, 1: 30 қатынасында 350, 400 айналым кезінде – 1,55 мкм-ді құрайды. LNT сериясының үлгілері LaNi5 және TiNi интерметаллидтік фазаларының, сондай-ақ La2O3 және TiO2 жанама оксидтік фазаларының түзілуімен сипатталады. Олардың ішінде ең қолайлы сипаттамаларды LNT-1 үлгісі көрсетеді, онда мақсатты фазалардың дифракциялық шыңдарының ең жоғары қарқындылығы, сондай–ақ олардың орташа кристаллиттері өлшемдерінің жоғары мәндері (LaNi5 – 86,31 нм; TiNi-63,28 нм) тіркелген, бұл кристалдылықтың ең жақсы дәрежесін көрсетеді. LNM сериясында LaNi5, LaNi4Mn, LaNi3Mn2 және оксидті LaMnO3 фазаларының болуы анықталды. Мақсатты фазалардың ең айқын сипаттамаларын (шыңдардың саны, қарқындылығы және кристаллит өлшемдері бойынша) LNM 1 үлгісі көрсетеді, бұл оны сутекті сіңіру саласындағы қосымша зерттеулер үшін ең перспективалы етеді. Бұл үлгідегі мақсатты фазадағы кристаллиттердің орташа өлшемі: LaNi5 – 90,23 нм; LaNi4Mn – 87,61 нм; LaNi3Mn2 – 87,85 нм. LNM-4 үлгісінде мақсатты фаза рефлекстерінің саны мен қарқындылығының төмендеуі, сондай-ақ кристаллиттер мөлшерінің кішіреюі байқалады, бұл кристалдық реттіліктің ішінара бұзылуын көрсетуі мүмкін. LNC сериясының үлгілерінде негізгі фазалар La2O3 оксидті қосылыстарымен және қалдық металл Ni-мен бірге жүретін LaNi4Co және LaNi5. LaNi4Co фазасы барлық үлгілерде көрінеді, ең қарқынды – LNC-1-де (кристаллиттердің өлшемі 89,31 нм), бірақ бұл жерде оның кристалдылық дәрежесі шектеулі. Бұл ретте LNC-4 үлгісі LaNi4Co және LaNi5 кристаллиттерінің өлшемдерінің кішкентай болуына қарамастан, мақсатты фазалардың ең үлкен мазмұнын және кристалдық реттілікті айқын көрсетеді, бұл оны сутекті сақтау үшін ең қолайлы кандидат ретінде қарастыруға мүмкіндік береді.
01.04.02. LaNi5 гидридтерінің пайдалануға жақын жағдайлардағы циклдік тұрақтылығы
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, PhD, Н.М. Мухамедова
LaNi5 негізіндегі материалдар, түрлендірілген Ti және Mn жақсартылған сутегі диссоциациясы, жеңілдетілген Н-атом диффузиясы және энергетикалық кедергілерінің төмендеуі арқылы жоғары циклдік тұрақтылықты көрсетеді. Көп компонентті фазалар мен қайта кристалдану құрылымды тұрақтандыруға және сорбциялық учаскелердің біркелкі жұмысына ықпал етеді, бұл жалпы сутектендіру/сутексіздендірудің бірнеше циклдары кезінде гидридті жүйенің кинетикасы мен беріктігін жақсартады. Беттік активтендіру/каталитикалық процестер - адсорбция жылдамдығы беттің химиялық белсенділігіне байланысты (қоспаның каталитикалық қасиеттері). Ti көбінесе H₂ диссоциациясының катализаторы ретінде әрекет етеді және H-атомдарының торға енуін жеңілдетеді. Ti және оның оксидтері/металларалық фазалары көбінесе беткі қабаттағы H₂ диссоциациясын жақсартады, қолайлы шекаралық күй жасайды, сонымен қатар титан LaNi₅ кристалдық торының шамалы кеңеюін тудырады, H орналастыру орнын кеңейтеді және оның көшуін жеңілдетеді. Mn гидридтердің пайда болу ықтималдығы аз фазалардың құрамына кіре алады немесе жоғары энергетикалық тосқауылдың өтпелі аймақтарын құра алады. Бірнеше фазалардың/қайта кристалданған учаскелердің болуы энергия кедергілерінің таралуын арттырады, бұл визуалды түрде «бұлыңғыр» плато мен баяу қозғалатын кинетиканы береді. Mn бетінде адсорбцияға/десорбцияға кедергі келтіруі мүмкін оксидтер/фосфаттар түзеді.
01.05.04. Өсiмдiк шикiзаты мен графен тәрiздес материалдардан микро- және нанокристалды целлюлоза негiзiнде сутегiнiң 3D микропористi конденсаторын әзiрлеу, олардың физикалық-химиялық сипаттамаларын, сутегi сыйымдылығының оңтайлы жағдайларын және сорбция/десорбция процесiне әсер ететiн физикалық факторларды айқындау. Сутектің 3D мезокеуекті конденсаторының сорбциялық және десорбциялық қасиеттерін зерттеу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалының зертхана бастығы, PhD, Н.М. Мухамедова
Жобаның міндеттерін іске асыру шеңберінде өсімдік шикізаты мен графен тәрізді материалдардан жасалған микро- және нанокристалды целлюлоза негізінде сутегінің 3D микропорлы конденсаторы әзірленді. Олардың физикалық-химиялық сипаттамалары, сутегі сыйымдылығының және сорбция/десорбция процесіне әсер ететін физикалық факторлардың оңтайлы жағдайлары айқындалды. 3000 см2/г бетінің алаңы бар 3%MCC/PAm-3%CNF аэрогелінің сутегі сіңіру қасиеттері зерттелді. Алынған нәтижелерге сәйкес, төмен қысымнан бастап сутегіні сіңіру процесі белсенді жүруде. 1 бар қысым кезінде аэрогелдің сорбциялық сыйымдылығы 0,8% -ды құрады. Зерттеулер материалдардың сутекті қажетсінетін қасиеттері олардың үстіңгі бетінің ауданына тікелей байланысты екенін көрсетті.
3%MCC/PAm-3%CNF-5%GO аэрогелімен сутегі сорбциясының кинетикасын зерттеу бастапқы кезеңде сорбция процесі тез өсумен сипатталатынын, содан кейін біртіндеп қанығу жағдайына жететінін көрсетті. Төмен қысым саласында (0-200 mbar) сутегі сорбциясының күрт артуы байқалады, бұл көптеген бос белсенді орталықтардың болуымен және газдың жеңіл адсорбциясымен байланысты. Орташа қысым диапазонында (200-600 мбар) сорбция жылдамдығы баяулайды, бірақ өсу әлі де жалғасуда. Жоғары қысымдар саласында (600-1000 mbar) сорбция шамасы тұрақтандырылады және қанығу жағдайына ұмтылады. Максималды сорбциялық сыйымдылығы шамамен 4 wt.% құрады, бұл 3%MCC/PAm-3%CNF көрсеткішінен 4 есе артық. Сутекті сорбциялау процесі 21 циклге дейін бір үлгіде қайта өндірілді. Аэрогелдегі сутегі десорбциясының 3%MCC/PAm-3%CNF-5%GO температурасына тәуелділігін зерттеудің алынған нәтижелеріне сәйкес төмен температуралы аймақта (25-100 °C) сутегінің салмақтық үлесі (≈ 4 wt%) жүзінде тұрақты болып қалады. Бұл сутегінің үстіңгі бетінде байланысқан күйде немесе материал көлемінде екенін және едәуір десорбция болмайтынын көрсетеді. Орташа температура саласында (100-150 °C) десорбция процесі басталады. Кестеге сәйкес сутегінің салмақтық үлесі күрт азаяды. Бұл материалдағы сутегіні байланыстыру энергиясының орташа мәні бар екенін көрсетеді. Десорбцияның негізгі процесі дәл осы температуралық аралықта өтеді. Жоғары температуралы облыста (150-200°C) сутегінің салмақтық үлесі нөлге жетуге ұмтылады. Бұл осы температура кезінде сутегінің көп бөлігі материалдан толық десорбцияланатынын білдіреді.
01.06.05. Электродты материалдар мен МЭБ блогын сынау, салыстырмалы талдау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалы директорының орынбасары, PhD, А.Ж. Миниязов
Жоба міндеттерін іске асыру аясында кеуекті кремнийді PVA-H₃PO₄ (20:80 масс.%) ерітіндісімен сіңдіру әдісімен мембрана алынды, содан кейін 60°C-те тұрақты салмаққа дейін кептіріледі, Vulcan XC72 көміртекті тасымалдағышына салынған Pt-Co (катод) және Pd-Cu (анод) электродтары мембрананың екі жағына да саңылаусыз бекітілді. МЭБ құрастыру графиттен жасалған төсемдер мен ток алғыштарды пайдалана отырып, престелетін тест корпусында жүзеге асырылды (алдын ала 1 см² белсенді аймағының ауданы бойынша электродтар кесілді, мембраналар мен электродтарды графитті ток алғыштармен және төсемдермен біріктірді, қабаттар арасындағы байланыс үшін 50-80 Н күші бар пресс-ұяшықта жинауды қысып тастады).
Физикалық-химиялық және механикалық қасиеттерін анықтау үшін кеуекті кремнийден электродтарды сынау бойынша алынған деректерге сәйкес, меншікті беті 105-180 м²/г, кеуектердің көлемі 0.1-0.2 см³/г, кеуектердің орташа диаметрі ~ 18-22 нм, беттік энергия 45-55 мДж/м², гидрофобтылығы 72-84°, химиялық төзімділігі p 3-10, құрамы Si - ≥ 98,5 мас.%, 60°C кезінде H₂SO₄ -> 72 сағ коррозияға төзімділік, Виккерс бойынша микроқаттылық 0.3-0.6 ГПа, иілу беріктігі - ~20-30 МПа, серпімділік модулі - 2.8-4.5 ГПа, термиялық тұрақтылық TGA/DTA 250 °C дейін. Алынған деректерден көрініп тұрғандай, кеуекті кремний төмен температуралы отын элементтерінің электродтары үшін тиімді материал ретінде оның жарамдылығын қамтамасыз ететін бірқатар физикалық-механикалық және термикалық қасиеттерге ие. Ол жеткілікті механикалық беріктікті, температуралық әсерлерге төзімділікті және катализаторлармен жоғары үйлесімділікті үйлестіреді. Ұсынылған физикалық-химиялық қасиеттері оны әмбебап «шаблон-төсем» ретінде пайдалану мүмкіндігін көрсетеді.
01.06.06. Сорбент материалдардың жұмысқа қабілеттілігін және сутегін жинақтаудың электрохимиялық және металлогидридтік тәсілінде қолдану мүмкіндігін бағалау
Кезең жетекшісі – АЭИ филиалы директорының орынбасары, PhD, А.Ж. Миниязов
Кеуекті кремний негізінде МЭБ ОЭ блогын сынау үшін кеуекті кремний матрицасы және PVA/H₃PO₄ (қалыңдығы 350-400 мкм 85:15 масса%) толтырғыш негізінде алынған композиттік құрам үлгісі әзірленіп, дайындалды. «Кеуекті кремний/PVA-H₃PO₄» композициясының иондық өткізгіштігінің температуралық тәуелділігі 25 °C кезінде иондық өткізгіштіктің шамамен 1,2 мСм/см құрайтынын көрсетті, бұл төмен температуралық ОЭ-де қолданылудың төменгі шегіне сәйкес келеді. Температураның 75 °C дейін артуымен өткізгіштіктің ~ 5.4 мСм/см дейін монотонды өсуі байқалады. Бұл өсу протондар қозғалысының артуына және PVA-H₃PO₄ гель тәрізді матрицадағы сутегі өткізгіштігінің қарқындануына байланысты. Температураға тәуелді өткізгіштік әсіресе жоғары ылғалдылық пен температурада тиімді, бұл оны ауыспалы ылғалдылық пен қалыпты қыздыру жағдайларына қолайлы етеді.
25°C кезінде және 20% -дан төмен ылғалдылықта «кеуекті кремний/PVA-H₃ PO₄» композиттік мембранасы базасындағы МЭБ үлгісі төмен ~ 10⁻⁴ См/см өткізгіштікке ие, өсуі 30-45%, ал 85-95% қанығу кезінде ~1.2×10⁻¹ См/см деңгейіне жетеді. 50 °C температурада PVA-H₃PO₄ мембранасы бар МЭБ зерттелетін үлгісінде иондық қозғалыстың ұлғаюы байқалады, өткізгіштік барлық диапазонда шамамен 1,8 есеге артады. 75°C кезінде осы үлгі 95% RH кезінде ~3.4×10¹ См/см дейін ең жоғары өткізгіштік деңгейін көрсетеді, осындай МЭБ-тің жоғары әлеуетін білдіреді. Егер белгілі деректермен, мысалы Nafion-мен салыстыратын болсақ, онда ол 25°C ~ 2.5×10⁻ ¹ См/см кезінде 90% RH кезінде жоғары базалық өткізгіштікке ие, алайда, PVA-H₃PO₄ температурасының көтерілуі кезінде оған жақындайды. МЭБ үлгісінің вольтамперлік сипаттамаларын анықтау және меншікті қуатын есептеу бойынша сынақтар (мембрана - «кеуекті кремний/ PVA–H₃PO₄» мұнда PVA–H₃PO₄ 20:80 масс.% /катод - Pt–Co-көміртекті тасымалдаушы/анод - Pd-Cu-көміртекті тасымалдаушы) ток тығыздығының өсуі кезінде кернеудің төмендеуі байқалатынын және ең жоғары қуаттылыққа 200-300 мВт/см² диапазонында қол жеткізілетінін көрсетеді.
01.07.04. Өтпелі металл нанобөлшектерінің синтезі (Cu, Fe, Pd). Модификацияланған көмір тасымалдағыштардың көлеміне нанобөлшектерді қолдану тәсілін әзірлеу. Олардың физика-химиялық және электрохимиялық қасиеттерін және каталитикалық жүйелердің электрохимиялық тұрақтылығын зерттеу. Олардың өлшемдік және оптикалық сипаттамаларын зерттеу
Кезең жетекішісі – АЭИ филиал директорының орынбасары, PhD, А.Ж. Миниязов
Жобаның міндеттерін іске асыру шеңберінде 5Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm монометалдық катализаторлары ылғалды сіңдіру әдісімен алынды. Белсендірілген көмірге (ACm) темір, палладий және мыс иондарын жағу үшін FeCl₃·6H₂O, Cu(NO₃)₂·3H₂O және PdCl₂ тұздарының сулы ерітінділері 0,001 моль/л концентрациясымен дайындалды. Араластырылған кезде алынған ерітінділер ACm-ге қосылды, 10 минут бойы араластыруды жалғастырды, содан кейін металл иондарының толық сорбциясы үшін бөлме температурасында 4 сағатқа қалдырылды. Әрі қарай, материал ылғалды кетіру үшін 150 °C температурада 2 сағат, содан кейін металл иондарын бекіту үшін 300 °C температурада 4 сағат кептірілді. Кептіруден кейін үлгілер бөлме температурасына дейін салқындатылды.
3Pd–7Cu/ACm және 3Pd–7Fe/ACm биметалдық жүйелері де ылғалды сіңдіру әдісімен алынды. Ол үшін Cu(NO₃)₂·3H₂O тұздары дистилденген суда, ал PdCl₂ су—спирт ерітіндісінде ериді (90% этанол: су = 30:70 мл/мл). Қоспаға 1 г ACm қосылды, 10 минут араластырылды және металл иондарын сорбциялау үшін бөлме температурасында 4 сағат ұсталды. Жуу, ылғалды кетіру және кептіру процедуралары 5Pd/ACm алу процесіне ұқсас жүргізілді. Содан кейін 5Pd/ACm-ге 5 мл суда алдын ала ерітілген 0,5 г Cu(NO₃)₂·3H₂O немесе 0,8 г FeCl₃·6H₂O қосылды. Қоспа 55-60 °C дейін қыздырылды, 30 минут араластырылды, содан кейін 10Cu/ACm синтезіне ұқсас жуу және кептіру жүргізілді.
ACm тасымалдаушысының кеуектеріндегі металл иондарын қалпына келтіру үшін NaBH₄ ерітіндісі қолданылды. 20 мл суда 1,6 г NaBH₄ ерітілді. Каталитикалық жүйелердің әрқайсысы (10Cu/ACm, 10Fe/ACm, 5Pd/ACm, 3Pd–7Cu/ACm и 3Pd–7Fe/ACm) 1 мл 5 М NaOH қосу арқылы рН > 7 деңгейін сақтай отырып, 50 мл суға жеке орналастырылды. NaBH₄ ерітіндісі сутегі бөлінгенге дейін баяу енгізілді, қоспасы 3 сағат араластырылды. Алынған материал 150 °C температурада 2 сағат кептірілді, содан кейін металдарды бекіту үшін 300 °C температурада 4 сағат ұсталды. Кептіруден кейін үлгілер эксикатордағы бөлме температурасына дейін салқындатылды.
Синтезделген катализаторлардың кеуектерінің меншікті беті 2296,101–2672,132 м2/г шегінде және AСm тасымалдаушысының SW көрсеткіші шегінде екені анықталды.
Катализаторлардың барлық үлгілерінде кеуектердің жалпы көлемінің төмендеуі байқалады, олардың мәндері сәйкесінше 5Pd/AСm, 10Cu/AСm, 10Fe/ACm және 3Pd-7Cu/AСm, 3Pd-7Fe/ACm үшін 36,627, 73,948, 64,932, 65,636 және 53,652 мл/г құрайды. Бұл катализаторлардың кеуекті құрылымы жақсы дамығанын көрсетеді және бұл құбылыс палладий катализаторына тән. Бұл адсорбция орындарының көбеюін көрсетеді. Зерттеу барысында Cu, Fe және Pd нанобөлшектерімен белсендірілген көмірден алынған электродтардың модификациясы, оттегінің тотықсыздану процесінде олардың электрохимиялық белсенділігі мен тұрақтылығын айтарлықтай арттыратыны анықталды. Fe негізіндегі катализатор максималды ток тығыздығымен және зарядты тасымалдаудың минималды кедергісімен ерекшеленді, ал Pd негізіндегі катализатор реакцияның төмен басталу потенциалымен және тұрақты жұмысымен сипатталды. Мыс негізіндегі катализатор (Cu) да белсенді болды, бірақ басқа металдармен салыстырғанда оның тиімділігі төмен болды.
K3[Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻жүйесіндегі циклдік вольтамметриялық зерттеулер катализаторлардың электронды алмасу қабілетінде және олардың беттік өткізгіштігінде айырмашылықтарды көрсетті. EIS нәтижелері зарядты тасымалдау кедергісін салыстыруға мүмкіндік берді: темір (Fe) модификациясы ең аз кедергі мәнін қамтамасыз етті. Хронопотенциостатикалық сынақтардың нәтижелері металдармен модификацияланған электродтар ұзақ уақыт бойы тұрақты потенциалды сақтай алатынын көрсетті, бұл олардың ұзақ мерзімді пайдалануға жарамдылығын растайды. ACNaOH/Fe және ACNaOH/Pd үлгілері әсіресе жоғары тұрақтылықты көрсетті. Нәтижелер Fe және Pd нанобөлшектерімен өзгертілген белсендірілген көмірді оттегін қалпына келтіру процестері үшін перспективалы, тұрақты және тиімді материалдар ретінде қарастыруға мүмкіндік береді.
01.08.05 Аккумулятор катодын таңдау, оның жұмысын оңтайландыру және сипаттамалардың тұрақтылығына, өздігінен разрядына және температураға тәуелділігіне электрохимиялық сынақтар кешенін жүргізу
Кезең жетекшісі – АЭИ филиал директорының орынбасары, PhD, А.Ж. Миниязов
Химиялық бірге тұндыру әдісімен Ni(OH)2/C композиттік катодты материал синтезделді және жан-жақты зерттелді. Бұл материал аналогтардан едәуір жоғары екендігі дәлелденді, жақсартылған сипаттамалар кешені бар: жоғары меншікті сыйымдылық (~265 мАч/г), асырмалы циклдік тұрақтылық (100 циклден кейін ~87% сақтау), үздік жылдамдық көрсеткіштері (10С кезінде~225 мАч/г) және төмен температураға жоғары төзімділік (-10 °C ~85% сақтау сыйымдылығы).
Бағдарламаны іске асыру шеңберінде 2023-2025 жылдары:
-Web of Science деректер базасында импакт-фактор бойынша 1 (бірінші), 2 (екінші) және (немесе) 3 (үшінші) квартильге кіретін және (немесе) Scopus деректер базасында CiteScore бойынша 50 (елу) кем емес процентилі бар бағдарламаның ғылыми бағыты бойынша рецензияланатын ғылыми басылымдарда 9 мақала;
- ҒЖБССҚК ұсынған журналдарда 15 мақала;
- қазақстандық баспалардың 3 монографиясы;
- Қазақстан Республикасының Ұлттық зияткерлік меншік институтында тіркелген
5 зияткерлік меншік объектісі (патенттер).