Актуальность
Получение, хранение и дальнейшее использование водорода в качестве топлива – это ключевые проблемы в повсеместном развитии водородной энергетики в целом. Основная причина, связанная с получением водорода, заключается в его экологически чистой генерации без углеродного следа. В случае мобильного хранения и транспортировки полученного сырья возрастает интерес к новым многокомпонентным сплавам, позволяющим накапливать водород в себе в химически связанном состоянии. Такие материалы могут быть как емкостью для временного хранения водорода, так и уже готовыми топливными элементами.
В связи с вышеизложенным, основной идеей представляемой программы является разработка и развитие инновационных устройств, материалов и технологий получения, хранения и транспортировки водорода с дальнейшей генерацией электроэнергии.
Основные научные исследования будет выполнять РГП «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» (НЯЦ РК), обладающий современной экспериментальной научно-технологической базой, кадрами с высокой квалификацией и многолетним опытом работы в направлении заявленной программы. Для решения отдельных задач программы будут привлечены ведущие отечественные лаборатории и научные центры при НАО «Восточно-Казахстанский университет им. С. Аманжолова», НАО «Казахский Национальный университет им. Аль-Фараби» и НАО «Казахский Национальный исследовательский технический университет им. К. Сатпаева».
Цель Программы – Разработка инновационных технологий, материалов и устройств для получения и хранения водорода, а также для электрохимической генерации электроэнергии на его основе с учетом энергетических ресурсов и потребностей Республики Казахстан.
Задачи программы:
Научная новизна:
Научная новизна проекта заключается в том, что:
– впервые в Казахстане будут выданы методические рекомендации исследования при получении водорода и углерода, а также материаловедческие данные твердых продуктов реакции пиролиза метана в СВЧ-разряде;
– для получения водорода методом электролиза будут использованы новые 2D материалы семейства MXene для уменьшения перенапрежения выделения водорода и снижения энергозатрат на его получение;
– будет разработана первая в Казахстане демонстрационная система хранения и транспортировки водорода на основе водородоемких интерметаллических соединений многократного действия;
– впервые будут разработаны полимер-углеродные композиционные материалы на основе микро- и нанокристаллов целлюлозы для получения трехмерного мезопористого водородного конденсатора, а также материалы для МЭБ ТЭ на основе наноструктурированного оксида циркония;
– будут получены новые полимер-углеродные и нанокомпозитные материалы на основе сельскохозяйственных отходов и однолетних растений для хранения и транспортировки водорода;
– будет создан задел для коммерциализации на рынке Казахстана для получения батарей типа Ni-MeH с синтезированием анодного материала.
Ожидаемые результаты программы.
Прямые результаты:
Направление 1. Получение водорода
1.1. Отработка способа получения водорода в результате пиролиза метана в СВЧ-разряде:
– методические рекомендации исследования при получении водорода и углерода в результате пиролиза метана в СВЧ-разряде;
– увеличение эффективности степени разложения метана при получении водорода плазменным пиролизом с применением СВЧ-разряда;
– материаловедческие данные твердых продуктов реакции пиролиза метана в СВЧ-разряде.
1.2. Оптимизация строения и состава двумерных катализаторов для электрохимической генерации водорода электролизом растворов:
– предложение каталитических материалов, обладающий уменьшенным значением перенапряжения выделения водорода;
– установка взаимосвязи между природой и количеством поверхностных функциональных групп 2D материалов на его каталитические свойства в процессах выделения водорода;
– оценка экономических эффективности использования 2D материалов в качестве катализаторов элеткрохимической генерации водорода.
Направление 2. Инновационные материалы и технологий для хранения и транспортировки водорода
2.1. Разработка универсальной системы сплавов на основе LaNi5 для металлогидридных применений:
– разработка оптимизированных составов и структур металлогидридных систем хранения водорода на основе LaNi5 для достижения высокой емкости по водороду;
– выполнение комплексного исследования структурно-фазового состояния и физических свойств систем хранения водорода на основе LaNi5 при вариации химического состава, высокоэнергетической обработки и способа консолидации в широком интервале рабочих температур;
– создание образцов мелкодисперсных эффективных водородопоглощающих материалов на основе LaNi5 для обратимого хранения водорода.
2.2 Экспериментальный и теоретический анализ поглощения водорода в металлогидридных системах на основе LaNi5:
– экспериментальное определение ресурса обратимой водородопоглащающей способности мелкодисперсных систем хранения водоорда на основе LaNi5 в условиях многократных нагрузок гидрирования/дегидрирования.
2.3 Разработка водородоемкостных композиционных материалов:
– разработка способа получения водородоемкостных полимер-углеродных композитных материалов
– технология разработки и опытная модель 3D микропористых водородных конденсаторов на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы и модифицированных углеродных материалов.
Направление 3. Преобразование водорода в электроэнергию
3.1. Материалы для низкотемпературных топливных элементов:
– результаты исследования по испытанию электродных материалов и блока МЭБ, сравнительный анализ предложенных материалов, а также результаты испытаний работоспособности материалов-сорбентов и оценка возможности применения в электрохимическом и металлгидридном способе накапливания водорода;
– опытные образцы композиционных кремниевых электродных структур и мембранно-электродного блока ТЭ.
3.2. Каталитическая система для низкотемпературных ТЭ:
– технология получения каталитических систем для низкотемпературных ТЭ;
– материалы с каталитическими системами для преобразования водорода.
3.3. Разработка и оптимизация анодных и катодных материалов для электрохимическоих преобразователей энергии на основе водорода:
– способ получения мембран 2D пористых конденсаторов водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы и модифицированных углеродных материалов;
– технология разработки 3D микропористых водородных конденсаторов на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы и графеноподобных материалов;
– опытная модель низкотемпературного ТЭ с усовершенствованными или новыми каталитическими системами для преобразования водородной энергетики в электрическую.
Конечный результат:
Направление 1. Получение водорода
1.1. Способ получения водорода в результате пиролиза метана в СВЧ-разряде
1.2. Эффективный катализатор для электрохимической генерации водорода
1.3. Оптимизированный процесс получения водорода методом электролиза
Направление 2. Инновационные материалы и технологий для ранения и транспортировки водорода.
2.1. Способ получения и лабораторные образцы мелкодисперсных эффективных водородопоглощающих материалов на основе LaNi5 для обратимого хранения водорода
2.2. Комплекс данных по технико-эксплуатационным характеристикам мелкодисперсных композиционных систем для хранения водорода на основе LaNi5.
2.3. Водородоемкостной полимер-углеродный композитный материал для хранения и транспортировки водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы и модифицированных углеродных материалов.
Направление 3. Преобразование водорода в электроэнергию
3.1. Материалы для низкотемпературных топливных элементов
3.2. Разработка носителей и каталитических систем для низкотемпературных ТЭ для водородной энергетики на основе модифицированного активированного угля и моно- и биметаллических наночастиц палладия, меди, никеля и железа.
3.3. Анодный материал на основе абсорбента водорода для электрохимического преобразования и накопления водорода;
3.4 Катодный материал, для метал-гидридного накопителя энергии;
3.5 Модернизированный электрохимический преобразователь энергии (аккумулятор) на основе разработанных катодных и анодных материалов.
Опытный образец МЭБ низкотемпературного топливного элемента.
Водородоемкостной полимер-углеродный композитный материал для хранения и транспортировки водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы и модифицированных углеродных материалов, а также каталитическая система для низкотемпературных ТЭ для водородной энергетики.
Первая в Казахстане компактная система хранения и транспортировки водороде в виде контейнеров (аккумуляторы-баллоны объемом 5-10 л), заполненных гранулированными интерметаллическими сплавами с высокой водородоемкостью.
Ожидаемые научные результаты в рамках программы.
В рамках реализации программы будут опубликованы:
– 9 статей в рецензируемых научных изданиях по научному направлению программы, входящих в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 (пятидесяти);
– 14 статей в журналах, рекомендованных КОКСНВО;
– 3 монографий казахстанских издательств;
– 5 объектов интеллектуальной собственности (патенты), зарегистрированных в Национальном Институте интеллектуальной собственности Республики Казахстан
– полученные результаты программы будут апробированы в рамках профильных отечественных и международных научных конференций, симпозиумов и семинаров.
– уровень технологической готовности на этапе завершения программы согласно Методике TRL (от «18» июля 2023 года №112-нж) – 3/4 уровень.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗА 2023 ГОД:
Раздел 1.
Определена максимальная степень разложения метана с применением СВЧ-разряда, а также определены экспериментальные данные с минимальными энергозатратами (Техническая справка № 12-230-02/169 от 21.11.2023 г.)
Подобраны новые каталитические системы для уменьшения перенапряжения выделения водорода (Отчет о научно-исследовательской работе №1 от 08.12.2023 г.).
Раздел 2.
Разработаны подходы к формированию и управлению структурно-фазовым состоянием металлогидридных систем хранения на основе LaNi5 (Техническая справка № 12-230-02/181 от 01.12.2023 г.).
Разработан способ получения водородоемкостных полимер-углеродных композитных материалов. Получены микро- и нанокристаллы целлюлозы для получения трехмерного мезопористого водородного конденсатора (Отчет о научно-исследовательской работе №1 от 08.12.2023 г.).
Раздел 3.
Проведены работы по разработке макропористых кремниевых электродных структур со сквозными каналами, на стенки которых нанесены каталитические слои и мезопористые кремниевые мембраны (Отчет о научно-исследовательской работе №1 от 08.12.2023 г.).
Проведены работы по разработке материалов и дизайна электродов на основе пористого кремния с нанесенными на их поверхность нанокатализаторами, модификация свойств электродных структур за счет управления уровнем пористости и модификацией графеновых структур (Отчет о научно-исследовательской работе №1 от 08.12.2023 г.).
Выполнен подбор оптимального носителя на основе активированного угляи разработан способ их модификации: кислотная и термическая обработка рисовой шелухи и подсолнечной лузги (Отчет о научно-исследовательской работе №1 от 08.12.2023 г.).
Проведены работы по разработке новых материалов и композиций для металлогидридного электрода высокой удельной емкости и устойчивости (Отчет о научно-исследовательской работе №2 от 08.12.2023 г.).
Разработаны новые материалы и композиций для металлогидридного электрода высокой удельной емкости и устойчивости (Отчет о научно-исследовательской работе №2 от 08.12.2023 г.).
01.01.01. Определение максимальной степени разложения метана с применением СВЧ-разряда, а также определение экспериментальных данных с минимальными энергозатратами
Руководитель этапа – научный сотрудник филиала ИАЭ, Туленбергенов Т.Р.
Проведен анализ научных работ по плазменному пиролизу метана с применением СВЧ-разряда в ходе которого выявлено, что в качестве инициатора разряда необходимо: использовать газообразный азот или аргон с целью уменьшения энергозатрат на разложение метана; температура в реакционной камере должна быть от 1000 °С, так как пиролиз метана протекает при высокой температуре; для устойчивости СВЧ-разряда необходимо осуществить напуск газа закрученным потоком при атмосферном давлении с расходом от 0,05 нл/мин до 10 нл/мин и температурой в диапазоне от 200 °С до 1000 °С, с вариацией изменения мощности СВЧ-разряда в диапазоне от 600 Вт до 6000 Вт. Также для увеличения эффективности плазмохимической реакции при производстве водорода необходимо использовать катализаторы. Установлено, что углеродистые катализаторы и углеродные катализаторы, легированные металлами, обладают лучшей стабильностью и более низкой скоростью дезактивации по сравнению с металлическими катализаторами, но имеют худшую конверсию метана по сравнению с металлическими катализаторами. Как правило, металлические катализаторы на основе никеля и углеродные катализаторы, легированные никелем, обладают большей активностью, чем другие.
01.02.01. Подбор новых каталитических систем для уменьшения перенапряжения выделения водорода
Руководитель этапа – научный сотрудник филиала ИАЭ, Туленбергенов Т.Р.
Рассмотрена значимость процесса электролиза водных растворов для получения водорода и показана перспективность совмещения установок для получения водорода с возобновляемыми источниками энергии. Показана проблематика повышенных энергозатрат получения водорода и пути ее решения. Рассмотрены основные электролиты (кислые и щелочные) для получения водорода методом электролиза растворов. Показаны преимущества и недостатки кислых и щелочных электролитов, на основании которых сделан выбор в пользу щелочных электролитов из-за их меньших энергозатрат и более высокой производительности (сотни H2 м3/ч для щелочных против десятков Н2 м3/ч для кислых растворов). Изучено влияние электродных материалов на энергозатраты процесса в целом и перечислен список существующих электродных материалов для генерации водорода электрохимическим методом. Детально рассмотрены критерии оценки подбора электродных материалов для РВВ, которые будут использованы в дальнейшем при исследовании и оптимизации электродных материалов в практической части.
01.03.01. Разработка подходов к формированию и управлению структурно-фазовым состоянием металлогидридных систем хранения на основе LaNi5
Руководитель этапа – старший научный сотрудник филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
В результате проведенного теоретического анализа зарубежной научно-технической литературы установлено, что материалы на основе LaNi5 являются весьма перспективными в качестве материалов для хранения водорода. Добавление легирующих элементов, таких как V, Mg, Al, Co и позволяет влиять на кинетику сорбции и десорбции водорода. Выяснено, улучшенная кинетика многокомпонентных композитов, объясняется тем, что зарождение гидрида происходит легче при наличии большего числа фазовых границ. Известно, что продолжительность механического синтеза влияет на структуру порошковых смесей. Длительные периоды обработки могут привести к повышению энергии и интенсификации механических воздействий, что способствует более равномерному распределению легирующих компонентов и формированию более стабильной структуры материала. Однако, следует учитывать, что длительные периоды обработки могут также привести к повышению температуры, что может повлиять на процессы диффузии и сегрегации компонентов, поэтому оптимальная продолжительность обработки должна быть тщательно выверена. Использование различных временных интервалов механического синтеза позволит выявить оптимальное время, которое обеспечивает наилучшие результаты синтеза, включая максимальное уменьшение размера частиц и получение однородной микроструктуры.
01.05.01. Разработка способа получения водородоемкостных полимер-углеродных композитных материалов. Получение микро- и нанокристаллов целлюлозы для получения трехмерного мезопористого водородного конденсатора
Руководитель этапа – старший научный сотрудник филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
На основании проведенного аналитического обзора выявлена возможность получения биоматериалов путем эффективной утилизации отходов сельского хозяйства высока. В связи с этим, в результате исследования было обнаружено, что углеродные материалы были извлечены из шелухи семян подсолнечника и соевой шелухи, а выход был равен 28,6 % для соевой шелухи, что на 2 % больше, чем у шелухи семян подсолнечника. Получается, что выход целлюлозы из полученного природного материала составляет 50,69 % от шелухи семян подсолнечника и на 12 % больше, чем у шелухи сои. Кроме того, содержание α-целлюлозы равно 67,53 %. Это было примерно на 10 % больше, чем у соевой шелухи. Химическое строение всех полученных материалов исследовано методом ИК на предмет совпадения углерода и целлюлозы. По морфологии поверхности было обнаружено, что углерод, полученный из двух сырьевых материалов, имеет сетчатую, порционную форму, а целлюлоза имеет волокнистую структуру. Это означает, что мы видим, что полученные материалы обладают физико-химическими свойствами, присущими материалам хранения и переноса водорода.
01.06.01. Разработка макропористых кремниевых электродных структур со сквозными каналами, на стенки которых нанесены каталитические слои и мезопористые кремниевые мембраны
Руководитель этапа – нач. лаборатории филиала ИАЭ, Миниязов А.Ж.
В рамках реализации задач проекта получен макропористый ma-Si, удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к электродам ТЭ. Требования к примесному составу кремния зависят от использования его в конкретных устройствах. Поскольку содержание примесей в образцах кремния очень мало, поэтому использован атомно-эмиссионный метод анализа с индуктивно связанной плазмой и разработана методика определения содержания малого количества химических элементов. Разработан материал мезопористой кремниевой мембраны, размер пор – 98-140 нм, пористость р 29–35 %, площадь поверхности 260–280 м2/г, удельное сопротивление ρ 2~6*104 Ом⋅см. В рамках исследований разработан материал для композитной мезопористой кремниевой мембраны, в которой пористый кремний является матрицей, а гелевый протонпроводящий электролит является наполнителем. Травление пор на большую глубину обычно ограничено процессом истощения электролита по глубине канала и проявляется как нарушение пассивации стенок, приводящее к растравливанию пор в сторону. Основными преимуществами использования пористого кремния являются уменьшение вымывания электролита из структуры полимера при загеливании мембраны. Проведены эксперименты по разработке композитных образцов на основе мезопористого кремния, которые могут послужить в качестве перспективного материала для изготовления кремниевых электродов. Определены перспективные нанокатализаторы для пористой кремниевой матрицы, выбор был обусловлен тем, что у катализаторов размером менее 1,5 нм наблюдается снижение активности за счет снижения координационного числа, а с ростом размеров снижается удельная поверхность катализатора, и, следовательно, активность.
01.06.02. Разработка материалов и дизайна электродов на основе пористого кремния с нанесенными на их поверхность нанокатализаторами, модификация свойств электродных структур за счет управления уровнем пористости и модификацией графеновых структур.
Руководитель этапа – нач. лаборатории филиала ИАЭ, Миниязов А.Ж.
Проведены исследования свойств композитов, полученных пропиткой разработанных образцов кремния в синтезированных растворах. Образцы исходных подложек кремния выдерживали в модифицирующих растворах, затем отмывали от ПАВ и растворителя и сушили при комнатной температуре. Установлено, что при отмывке образцов дистиллированной водой в течение 15-20 минут с поверхности композита удаляется не более 10% наночастиц. Для полного удаления ПАВ применялся отжиг при 4500 С в течение 3 часов, после такой обработки ПАВ полностью удаляется с поверхности. По изменению интегральной интенсивности спектров оптического поглощения было установлено, что за первичную пропитку на пористый кремний адсорбируется до 17,9% палладия и до 19,0% платины от содержания в исходных растворах. Активную фазу катализатора получали из обратно-мицеллярных растворов с наночастицами палладия и платины методом радиационно-химического восстановления ионов металлов в анаэробных условиях. Обратные мицеллы представляют собой микрокапли водного раствора – пулы, стабилизированные поверхностно-активным веществом (ПАВ) в органическом растворителе. Варьируя условия синтеза (концентрации реагентов), можно управлять размерами формирующихся частиц..
01.07.01 Подбор оптимального носителя на основе активированного угля, и разработка способа их модификации: кислотная и термическая обработка РШ и ПЛ. Изучение физико-химических свойств.
Руководитель этапа – нач. лаборатории филиала ИАЭ, Миниязов А.Ж.
Было изучено состояние угля, полученного из сельскохозяйственных отходов (подсолнечника, сои и рисовой шелухи) после обработки его кислотой с исходным состоянием. Обнаружено, что уголь также может быть получен из трех различных сельскохозяйственных отходов, хотя урожайность рисовой шелухи на 10-15% выше, чем у сои с подсолнечником. Видно, что после кислотной обработки уменьшается выход угля, установлено, что кислота влияет на вспомогательные вещества, содержащиеся в угле, и снижает выход, переходя в состав раствора в виде суспензии. Среди полученных углей было обнаружено, что исходное состояние угля из шелухи подсолнечника, состояние промытого кислотой, было выше по сравнению с другими, а напротив, рисовая шелуха была на 10–25 % ниже, а влажность даже после промывки кислотой была в 5–5, 5 раза меньше по сравнению с шелухой подсолнечника, концентрация показала, что промывка кислотой 50 % приводит к увеличению влажности. Было обнаружено, что уголь из сельскохозяйственных отходов сохраняет свою первоначальную пористую структуру после кислотной промывки, сохраняя при этом адсорбционную способность, полярность и термическую стабильность. Установлено, что среди углей, полученных из этих трех видов отходов, зольность рисовой шелухи в 10–15 раз выше, чем у угля, полученного из других соевых и подсолнечных шелухой. Установлено, что угли, полученные из отходов, в исходном состоянии сорбционно стабильны, после кислотной промывки кислота разрушает поры в их структуре. Установлено, что исходное состояние полученного угля и даже после кислотной промывки не наблюдается большой разницы в доле кислородсодержащих групп. В целом, результаты термогравиметрического анализа угля из подсолнечника, сои и рисовой шелухи показали, что он не претерпевает существенных изменений по температурному разложению и массовым потерям, исходя из результатов исследования, учитывая, что уголь из сельскохозяйственных отходов, то есть из подсолнечника, сои и рисовой шелухи, обладает высокими физико-химическими свойствами и имеет все основания использовать его вместо коммерческого активированного угля.
01.08.01. Разработка новых материалов и композиций для металлогидридного электрода высокой удельной емкости и устойчивости
Руководитель этапа – нач. лаборатории филиала ИАЭ, Миниязов А.Ж.
Рассмотрены существующие методы получения водорода и проведен анализ их рентабельности. Показаны действующие схемы получения водорода, показывающие, что во всех случаях необходим использование станций хранилищ водорода для последующего его использования. Представлена схема запасания энергии путем работы протона водорода в электрохимическом источнике тока, в которой отсутствует стадия хранения молекулярного водорода.
01.08.02. Оценка работоспособности материалов-абсорбентов водорода, казахстанского происхождения, как электродных материалов для электрохимических источников преобразования энергии
Руководитель этапа – нач. лаборатории филиала ИАЭ, Миниязов А.Ж.
Была продемонстрирована конструкция Ni-MeH батареи с тестированием и определением параметров реальной Ni-MeH. При реализации проекта группа исследователей нацелена синтезировать анодный материал данной батареи, оптимизировать его свойства и создать задел для коммерциализации данного типа батарей на рынке Казахстана.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗА 2024 ГОД:
Раздел 1.
Разработаны методические рекомендации по выбору катализаторов для применения в СВЧ-разряде при получении водорода и углерода (Методические рекомендации № 14-250-02/45 от 30.10.2024 года).
Выполнен анализ взаимосвязи между природой и количеством поверхностных функциональных групп 2D материалов и их каталитические свойства в процессах выделения водорода (акт № 14-250-02/4а от 15.07.2024 года).
Раздел 2.
Получены образцы мелкодисперсных эффективных водородопоглощающих материалов на основе LaNi5+Mex для обратимого хранения водорода легированием Al, V и другими металлами и изучены их свойства в зависимости от режимов получения (Акт 12-230-02/67 от 27.03.2024 г., Протокол №12-230-02/145 от 28.06.2024 г., Протокол №14-250-02/18а от 26.08.2024 г.).
Получены данные о ресурсе обратимой водородопоглащающей способности мелкодисперсных систем хранения водорода на основе LaNi5+Mex в условиях многократных нагрузок гидрирования/дегидрирования. Основные факторы, определяющие циклическую стабильность гидридов: температурный интервал проявления больших необратимых деформаций, давления, структурно-фазовые состояния (Акт №12-230-02/144 от 28.06.2024 г., Акт №14-250-02/42 от 28.10.24 г.).
Результаты исследования эффективного сополимеризующего материала путем индивидуальной реакции микроволокон целлюлозы с Aaм и PAАм с использованием MБААм в качестве сшивающего агента. Оптимальное количество нановолокон целлюлозы для придания механической прочности конденсаторам. Данные о физико-химических и механических свойствах полученных материалов. Путем модифицирования графеноподобными материалами будут получены образцы 3D мезопористого конденсатора водорода с улучшенными сорбционными характеристиками и определены оптимальный вид, количество, соотношения модификатора и исследованы физико-химические свойства (акт № 14-250-02/5а от 31.07.2024 года).
Раздел 3.
Результаты исследования по испытанию электродных материалов и блока МЭБ, сравнительный анализ предложенных материалов, а также результаты испытаний работоспособности материалов-сорбентов и оценка возможности применения в электрохимическом и металлгидридном способе накапливания водорода (акт № 14-250-02/48 от 31.10.2024 года).
Установлены свойства удельного сопротивления макропористого кремния, разработан материал твердого электролита и получены данные о его свойствах. Проведены экспериментальные работы по химическому вытравливанию пор на исходных пластинах кремния путем поэтапного процесса (протокол № 14-250-02/49 от 31.10.2024 года).
Получены оптимальные модифицирующие агенты и определен режим модификации активированного угля для использования в качестве носителя. В качестве материалов для изготовления активированного угля использовались рисовая шелуха, шелуха сои и подсолнечника, собранные в Кызылорде и Восточно-Казахстанской области. Процесс активации включал химическую обработку различными реагентами, такими как KOH, NaOH, H₂SO₄ (5 % и 15 %), HCl (5 %), NaCl (5 %) и H₃PO₄ (15 %), что позволило повысить адсорбционные свойства угля (акт № 14-250-02/42а от 28.10.2024 года).
Получены готовые образцы активированного угля для нанесения наночастиц переходных металлов и установлены их физико-химические характеристики. Осуществлен синтез монометаллических (10Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm) и биметаллических (3Pd-7Cu/ACm, 3Pd-7Fe/ACm) катализаторов, который проводился методом влажной пропитки углеродных носителей с последующим восстановлением ионов металлов с использованием NaBH4 (акт № 14-250-02/50 от 31.10.2024 года).
Отработана технология разработки 3D микропористых водородных конденсаторов на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы и графеноподобных материалов. Технология разработки 3D-мезопористого конденсатора включает синтез, модификацию и тестирование материалов для достижения оптимальных характеристик, таких как высокая сорбционная способность, механическая прочность и термическая стабильность (акт № 14-250-02/37а от 02.10.2024 года).
Получены данные о степени сохранения характеристик композитного электрода при низких температурах. Исследование показало, что для работы аккумуляторов на основе LaNi5 в условиях низких температур наиболее эффективным является электролит на основе KOH. Выяснилось, что анионы, такие как CO32-, PO43- и F-, улучшают электрохимическое поведение, а другие, например, NO3- и I- показывают слабую эффективность (акт № 14-250-02/51 от 31.10.2024 года).
01.01.02. Определение максимальной степени разложения метана с применением СВЧ-разряда, а также определение экспериментальных данных с минимальными энергозатратами
Руководитель этапа – старший научный сотрудник филиала ИАЭ, Туленбергенов Т.Р.
Выполнен анализ по выбору катализаторов для применения в СВЧ-разряде при получении водорода и углерода. Приведен литературный обзор о получении водорода и углерода в результате пиролиза метана в СВЧ-разряде с применением катализаторов. Выполнены экспериментальные исследования по получению водорода с помощью пиролиза метана в СВЧ разряде на установке для прикладных исследований ПМ-6. Представлены результаты экспериментов без катализатора, показывающие влияние параметров установки (мощности СВЧ-разряда и расхода газов) на степень конверсии метана. Установлено, что повышение мощности СВЧ магнетрона не приводит к увеличению степени конверсии метана и селективности водорода. Также, увеличение объемного расхода метана не способствует увеличению концентрации целевого продукта – водорода. Проведены эксперименты по определению максимальной степени разложения метана с применением металлического катализатора с различным содержанием никеля. Установлено, что повышение содержания Ni в металлическом катализаторе эффективно для увеличения степени конверсии метана и селективности водорода. Катализатор с содержанием 8 ат. % никеля, осажденный электрохимическим способом, показал максимальное значение селективности водорода. Технология получения водорода с использованием катализатора в СВЧ разряде с максимальной степенью конверсии метана составила до (32 ± 2) % и селективностью водорода до (85 ± 1) % при мощности СВЧ разряда 0,6 кВт, расходе метана 0,25 ± 0,05 л/мин и аргона (8 ± 0,2) л/мин.
01.02.02. Исследование влияния поверхностных групп 2D материалов на каталитические свойства процесса выделения водорода
Руководитель этапа – старший научный сотрудник филиала ИАЭ, Туленбергенов Т.Р.
Результаты проведенных экспериментов по исследованию влияния поверхностных групп 2D материалов на каталитические свойства процесса выделения водорода показали, что наибольшей каталитической активностью по РВВ (реакция выделения водорода) среди изученных катализаторов обладает MXene, окисленный в течение трех суток (перенапряжение минус 301 мВ при 10 мА/cм2), и MXene, модифицированный серой при постепенном нагревании (минус 180 мВ). Несмотря на то, что показатели перенапряжения выше, чем для платинового катализатора (минус 130 мВ для чистой платины), они все же ниже, чем для таких благородных металлов, как золото, серебро и палладий – минус 720 мВ, минус 700 мВ и минус 400 мВ, соответственно. Более того, сравнение полученного в данной работе MXene/S–1 с катализаторами на основе неблагородных металлов из других работ показало, что его эффективность соответствует среднему уровню разрабатываемых в мире катализаторов РВВ. Так, в литературе присутствуют как данные о менее эффективных материалах (минус 300 мВ на NiFeLDH-NS@DG10, -320 мВ на Co9S8@NOSC-900) и более эффективных (минус 15 мВ на сплаве MoNi4, минус 29 мВ на F-Ni3S4), так и находящихся на одном уровне с полученным нами катализаторе – минус 185 мВ на NiCo2O4/TiO2, минус 178 мВ на FeSe2/NF и минус 180 мВ на NiCo2N/NF. Это говорит о достаточно высокой эффективности полученных в данной работе катализаторов, но также и о необходимости продолжать исследования для достижения еще большей эффективности.
01.03.02. Получение мелкодисперсных композиционных порошков с прогнозируемым структурно-фазовым состоянием на основе LaNi5 для металлогидридных применений легированием А1, V др.
Руководитель этапа – Начальник лаборатории филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
В рамках реализации задач проекта методом сканирующей электронной микроскопии механически синтезированных порошковых смесей на основе LaNi5 в режиме топографического и композиционного контраста при идентичных условиях выявлено, что существенное влияние на результате процесса оказывает соотношение размольных шаров к порошку. При оценке размеров частиц, полученных в результате синтеза смесей, обнаружено, что увеличение количества размольных шаров относительно количества порошка приводит к образованию более мелкодисперсной смеси. Каплевидные частицы, полученные при использовании соотношения шаров к порошку 1:20, имеют форму «неправильного» шара: овальную или сплющенную. Смесь характеризуется более равномерным распределением частиц. Размер кристаллитов во всех образцах варьируется от 15,35 до 83,44 нм, что соответствует малому размеру. Такие небольшие кристаллиты могут способствовать деформации кристаллической решетки, так как расширение пиков связано с меньшей упорядоченностью структуры в кристаллитах малого размера. Основу фазового состава образцов, составляют гидроксидные и оксидные фазы (La(OH)3, La2O3), что в основном связано с процессом окисления образцов. Во всех образцах, полученных методом ИПС механически синтезированных порошковых смесей наблюдается неоднородная многофазная структура без пор и с незначительными трещинами. Исследования показали, что в зависимости от химического состава распределение элементов и морфология структуры носит разносторонний характер, в частности происходит образование вторичных фаз, таких так LaNi5, NiV, Ni в различных модификациях. Всем образцам характерна фаза оксида лантана, обладающей кубической кристаллической решёткой (пространственная группа Ia-3), параметр решетки a=b=с=1,1418 нм. Однако наблюдается снижение интенсивности дифракционных линий. Пики с высокими интенсивностями принадлежат никелю (Ni) с кубической кристаллической решёткой (пространственная группа Fm-3m), параметр решетки a=b=с=0,3523 нм, также как в образцах после МС.
01.04.01. Водородаккумулирующие свойства механически легированных композиционных систем хранения водорода на основе LaNi5
Руководитель этапа – Начальник лаборатории филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
В результате проведенного анализа исследованы процессы адсорбции и десорбции в зависимости от давления при температуре 50 оС. Количество адсорбированного газа увеличивалось с ростом давления и достигло максимального значения 3,5 см³/г. График показал наличие эффекта гистерезиса между кривыми адсорбции и десорбции. Этот феномен указывает на пористость материала и особенности связывания газа с адсорбентом. Наличие гистерезиса может свидетельствовать также о том, что в материале остаётся некоторое количество молекул газа после десорбции. На начальном участке графика наблюдалась линейная зависимость между адсорбцией и давлением. Это указывает на то, что при низких давлениях адсорбция протекает в равновесных условиях. Кинетическая кривая сорбции показывает, что содержание водорода увеличивается с увеличением времени насыщения. Согласно полученным результатам в начале испытаний в течение первых 7–8 минут, поглощение водорода практически не происходит, и с увеличением времени возрастает интенсивность поглощения до момента достижения равновесия. Для достижения равновесия при температуре 50 °С и давлении 20 Бар требуется около 60 мин. Кинетическая кривая десорбции показывает, что содержание водорода начинает снижаться с первых минут. При этом стоит отметить, что с добавлением Al, кинетические кривые и сорбции, и десорбции имеют более равномерный характер. Для достижения равновесия при температуре 75 °С и давлении 25 Бар требуется около 60 мин. Подобный характер кинетики водорода при насыщении может быть связан с окислением поверхности исследуемых материалов. Окислению поверхности СНВ на основе LaNi5 с гексоганальной и кубической структурой способствует повышенная длительность (более 60 мин) процессов сорбции/десорбции.
01.05.02. Разработка способа получения водородоемкостных полимер-углеродных композитных материалов: сополимеризация целлюлозных микроволн на основе на основе мономеров Аам и ПААм. Определение эффективной массовой доли целлюлозных нановолокон, обеспечивающих механическую прочность
Руководитель этапа – Начальник лаборатории филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
В рамках реализации задач проекта разработан способ получения полимерно-углеродных композиционных материалов, разработан 3D микропористый конденсатор водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы, проведено исследование диффузионного легирования стенок между порами кремния, проведена оценка удельного сопротивления пористого кремния, также разработан и исследован мезопористый кремний с высоким сопротивлением электронов для изолирования между собой анода и катода мембранно-электродного блока. Осуществлена модификация поверхности мезопор кремния материалом с ионной проводимостью с целью получения армированного твердого электролита. Исследована газонепроницаемость протонпроводящей мембраны на основе пористого кремния. Разработан способ получения полимерно-углеродных композиционных материалов с водородоемкостью путем сополимеризации целлюлозных микроволокон с акриламидными и полиакриламидными мономерами. По полученным результатам установлено, что микрокристаллическая целлюлоза и полиакриламид эффективны в качестве эффективного сополимеризующегося мономера. Кроме того, при сополимеризации с полиакриламидом эффективная концентрация микрокристаллической целлюлозы составила 3 %; установлено также, что механическая прочность в этом случае выдерживает давление до 132 кПа и подвергается дальнейшей деформации. Разработан 3D микропористый конденсатор водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы из растительного сырья и графеноподобных материалов. Определены их физико-химические характеристики, оптимальные условия водородоемкости и физических факторов, влияющих на процесс сорбции/десорбции. По результатам исследований установлено, что добавка углеродных материалов, таких как оксид графена, не оказывает негативного влияния на химическую структуру и термическую стабильность композита на основе целлюлозы.
01.05.03. Разработка 3D микропористого конденсатора водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы из растительного сырья и графеноподобных материалов, определение их физико-химических характеристик, оптимальных условий водородоемкости и физических факторов, влияющих на процесс сорбции/десорбции. Иммобилизация графеноподобных материалов (невосстановленный и восстановленный) в объем 3D мезопористого конденсатора водорода методом in-situ
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Путем модифицирования графеноподобными материалами получены образцы 3D мезопористого конденсатора водорода с улучшенными сорбционными характеристиками и определены оптимальный вид, количество, соотношения модификатора и исследованы физико-химические свойства. Определены их физико-химические характеристики, оптимальные условия водородоемкости и физических факторов, влияющих на процесс сорбции/десорбции. По результатам проведенных исследований установлено, что добавка углеродных материалов, таких как оксид графена, не оказывает негативного влияния на химическую структуру и термическую стабильность композита на основе целлюлозы. Установлено, что механическая прочность аэрогеля, иммобилизованного углеродным материалом, таким как оксид графена с содержанием 1%, 3% и 5%, позволяет выдерживать давление 140 кПа и подвергаться дальнейшей деформации. Однако было обнаружено, что аэрогели с углеродным материалом, таким как 5% оксида графена, имеют в 1,5 и 1,2 раза большее время стабильности под давлением по сравнению с 1% и 3%.
Основываясь на полученных результатах, можно заключить, что 3D-материал на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы, иммобилизованной углеродным материалом, таким как оксид графена, имеет значительный потенциал для использования в качестве материала, сорбирующего водород.
01.06.03. Исследование диффузионного легирования стенок между порами кремния, оценка удельного сопротивления макропористого кремния
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Проведено исследование пористого кремния в качестве мембраны топливного элемента. Для этого проведены экспериментальные работы по химическому вытравливанию пор на исходных пластинах кремния путем поэтапного процесса: нанесение катализатора серебра из солеи азотнокислого серебра; рост пор в растворе плавиковой кислоты с перекисью водорода; удаление наночастиц серебра травлением в азотной кислоте. Полученный образец композитного состава на основе матрицы пористого кремния и наполнителя – гелевого протонпроводящего электролита позволяет сформировать механически более устойчивые структуры. Капсулирование электролита в структуру пористой кремниевой матрицы существенно повышает механическую прочность мембраны, а также демонстрирует перспективы использования протонных ионных жидкостей в качестве донора протонов в протонпроводящих мембранах.
Определены свойства удельного макропористого кремния. Свойства таких структур как «пористый кремний/осажденные Ме» могут варьироваться в широких пределах благодаря возможности изменять как режимы электрохимического осаждения металлов, так и сами металлы и саму структуру пористого кремния.
Сравнительный анализ образцов кремния с Ме и гелевым электролитом согласно данным удельного сопротивления показал, что образец кремния с гелевым электролитом обладает меньшим сопротивлением, что делает его более привлекательным с точки зрения эффективности применения в МЭБ ТЭ.
Совокупность всех свойств исследуемых образцов обуславливают их возможный выбор для использования в качестве мембраны топливного элемента.
01.06.04. Разработка и исследование мезопористого кремния с высоким сопротивлением электронов для изолирования между собой анода и катода мембранно-электродного блока МЭБТЭ. Модификация поверхности/заполнение мезопор кремния материалом с ионной проводимостью с целью получения армированного твердого электролита. Исследование свойств газонепроницаемости протонпроводящей мембраны
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
В рамках реализации задач проекта получены материал твердого электролита и данные о его свойствах. Проведены экспериментальные работы по химическому вытравливанию пор на исходных пластинах кремния путем поэтапного процесса: нанесение катализатора серебра из солеи азотнокислого серебра; рост пор в растворе плавиковой кислоты с перекисью водорода; удаление наночастиц серебра травлением в азотной кислоте. В результате получены образцы пористого кремния для исследования и модификации толщиной 0,2-0,4 мм. Структура характеризуется сетью каналов внутри кремниевой матрицы, поры ярко выражены с четкими краями и выступающими образованиями, поверхность однородна, а поры распределены равномерно по поверхности, структура демонстрирует достаточно высокий уровень пористости.
Проведены исследования пористого кремния методом адсорбционной порометрии. Измерения проведены после предварительного вакуумирования для дегазации образцов с последующей обработкой экспериментальных данных методами BЭТ (измерение удельной поверхности с использованием метода Брунауэра-Эммета-Теллера) и BJH (распределение общего объема и размера пор определено методом Барретта-Джойнера-Халенда по кривой изотермы десорбции). Полученные данные сегментируются на микропоры (0,35–2 нм), мезопоры (2–10 нм) и поры (10–50 нм, 50–200 нм). При этом, поры с размером 10–50 нм занимают наибольшую долю объема пор (81,38%), а поры с размером 2–10 нм составляют 15,91% от общего объема пор, соотвественно поры с размером 50–200 нм имеют небольшую долю, что составляет 2,71% от общего объема. Площадь поверхности пор представлена следующими результатами: мезопоры (2–10 нм) занимают наибольшую площадь поверхности пор (74,43%), поры 10–50 нм - 25,39% от площади поверхности, а макропоры (50–200 нм) занимают только 0,18% от площади. Осаждение Ме может приводить к изменению свойств пористого кремния, поэтому была измерена протонная проводимость полученных образцов и сравнена с протонной проводимостью образца пористого кремния с добавлением гелевого проводящего электролита DEMA/TfO.
По результатам анализа установлено, что образец пористого кремния с гелевым наполнителем с сенсорным откликом 27% обладает сниженной газопроницаемостью, что позволяет сделать вывод о недостаточной пригодности в качестве газопроницаемой мембраны ТЭ, но может быть полезен при необходимости высокой механической стабильности. Образец с наполнителем (DEMA/TO) с откликом 43% обладает достаточной газопроницаемостью и плотности каналов. Образец пористого Si с гелевым наполнителем (DEMA/TO) является наилучшим выбором для мембраны ТЭ, так как он имеет достаточно высокую газопроницаемость и сбалансированные характеристики по плотности и диаметру каналов, что может обеспечить эффективную работу ТЭ.
01.07.02 Подбор оптимального носителя на основе активированного угля, и разработка способа их модификации
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
В качестве материалов для изготовления активированного угля использовались рисовая шелуха, шелуха сои и подсолнечника, собранные в Кызылорде и Восточно-Казахстанской области. Процесс активации включал химическую обработку различными реагентами, такими как KOH, NaOH, H₂SO₄ (5 % и 15 %), HCl (5 %), NaCl (5 %) и H₃PO₄ (15 %), что позволило повысить адсорбционные свойства угля. Для повышения эффективности углеродного носителя был применён метод термической обработки (карбонизация), осуществляемый при температурах 300–700 °C для удаления летучих веществ. Характеристики полученного активированного угля сравнивались с коммерческими аналогами, что позволило оценить его пригодность для использования в низкотемпературных топливных элементах. Результаты показали, что активированный уголь, полученный из сельскохозяйственных биоотходов, обладает более высокой адсорбционной способностью и экологической ценностью, что делает его перспективным и устойчивым носителем для катализаторов.
01.07.03 Синтез наночастиц переходных металлов (Cu, Fe, Pd). Разработка способа нанесения наночастиц в объем модифицированных угольных носителей. Исследование физико-химических характеристик катализаторов. Легирование коммерческого и синтезированного АУ глюкозой и изучение их физико-химических свойств
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Получены образцы АУ для нанесения наночастиц переходных металлов и их физико-химические характеристики. Осуществлен синтез монометаллических (10Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm) и биметаллических (3Pd-7Cu/ACm, 3Pd-7Fe/ACm) катализаторов, который проводился методом влажной пропитки углеродных носителей с последующим восстановлением ионов металлов с использованием NaBH4. Для модификации структуры углеродных материалов и повышения их сорбционной способности применялось легирование промышленного и синтезированного активированного угля путем добавления глюкозы. Анализ текстурных характеристик показал увеличение удельной поверхности и объема пор, что существенно улучшило сорбцию металлов. Исследования методом ИК-спектроскопии подтвердили образование химических связей между наночастицами металлов и функциональными группами углеродного носителя, что способствует росту каталитической активности. Микроскопический анализ выявил размеры частиц: 5–15 нм для палладия, 8–19 нм для меди и 30–34 нм для биметаллических систем. Разработанные методы обеспечивают равномерное распределение металлов на носителе и стабильность физико-химических характеристик катализаторов.
01.08.03. Выбор компонентов добавок и отработка технологии приготовления электрода, отвечающего требованиям высокой обратимости, мощности и фазовой устойчивости
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Получен электродный материал LaNi5 методом самовоспламеняющегося синтеза, и отработана технология приготовления электрода на его основе, использующегося для никель метал-гидридных (Ni-MeH) батарей.
Для самовоспламеняющегося синтеза из растворов солей были использованы 5 ммоль La(NO3)3·6H2O, 25 ммоль Ni(NO3)3·6H2O и 36 ммоль глицина, растворенных в 50 мл воды. Полученный раствор выпаривали при 100 °C до образования геля, который затем самовоспламенялся при последующем повышении температуры до 600 °C в муфельной печи (10 °C/мин) и выдерживанием в течение 2 ч. Полученный черный порошок затем смешивали с CaH2 и LiCl в массовом соотношении 1:2:0,9 в инертной атмосфере аргона в перчаточном боксе и переносили в трубчатую печь. Печь нагревали от комнатной температуры до 600 °C со скоростью 5 °C/мин и выдерживали при этой температуре в течение 5 ч. Восстановление материала происходило в атмосфере смеси Ar/H2 (95:5) со скоростью потока 200 мл/мин. Полученный продукт после промывки был проанализирован методами рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии.
Изготовление электродного композита на основе LaNi5 проведено тремя различными способами для сравнения и оптимизации процесса их создания. На основании полученных данных был выбран PTFE в качестве оптимального связующего материала для дальнейших исследований. В дальнейшем все материалы будут изготавливаться с использованием PTFE.
01.08.04. Уменьшение температурной зависимости электрохимических характеристик металлогидридных электродов для повышения устойчивости и уменьшения саморазряда
Руководитель этапа – Директор Центра филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Было проведено исследование влияния различных гидроксидных электролитов на работу аккумуляторов при низких температурах, включая следующие соединения: NaOH, KOH, RbOH, CsOH. В качестве добавок использовались различные солевые добавки и анионы: CO32-, PO43-, F-, NO3- и I-. Концентрация всех растворов составляла 6 М. Температура тестирования: 20 °C, 10 °C, 0 °C, -10 °C, -20 °C. Перед экспериментами электроды прошли активацию в нескольких циклах для стабилизации характеристик. По завершении тестов ёмкость электродов также измерялась при комнатной температуре, чтобы оценить, восстанавливаются ли исходные параметры ёмкости.
Исследование показало, что для работы аккумуляторов на основе LaNi5 в условиях низких температур наиболее эффективным является электролит на основе KOH. Выяснилось, что анионы, такие как CO32-, PO43- и F-, улучшают электрохимическое поведение, а другие, например, NO3- и I- показывают слабую эффективность. Предполагается, что основной механизм влияния солевых добавок заключается в изменении характера водородных связей и химических взаимодействий на поверхности электродов. Как пример, добавление солевых добавок, таких как Cs2CO3, значительно улучшает эксплуатационные характеристики аккумуляторов при низких температурах.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЗА 2025 ГОД:
Раздел 1.
Проведены работы по изучению характеристик и свойств твердых продуктов реакции пиролиза метана в СВЧ-разряде. Результаты показали, что изменение мощности оказывает существенное влияние на морфологию, структурные характеристики и пористость получаемых углеродных материалов (протокол № 14-250-02/98 от 19.09.2025 г).
Получены данные об экономической эффективности использования 2D материалов в качестве катализаторов электрохимической генерации водорода (Отчет о НИР заключительный рег.№ 0123РК01187, инв.№ 0225РК00958 от 14.10.2025 г.).
Раздел 2.
Получены образцы мелкодисперсных эффективных водородопоглощающих материалов на основе LaNi5+Mex для обратимого хранения водорода легированием Ti, Mn, Co и изучены их свойства в зависимости от режимов получения (Акт 14-250-02/67 от 17.03.2025 г., протокол №14-250-02/94 от 29.08.2025 г.).
Проведены комплексные исследования циклической стабильности мелкодисперсных композиционных систем хранения водорода на основе LaNi5Mex в циклах гидрирование/дегидрирование до 500 циклов. Закономерности деградации структурно-фазового состояния при циклических воздействиях. Исследованы микроструктурные особенности и механизмы функциональной деградации сорбционных свойств в исследуемых гидридах. (Акт №14-250-02/123 от 10.11.2025 г.).
Получены данные о сорбционной емкости, времени удерживания водорода, скорости сорбции/десорбции, рабочего цикла конденсатора, а также факторы, влияющие на процесс сорбции/десорбции водорода, в т.ч.: температура, давление, время (Акт № 14-250-02/77 от 14.05.2025 г., отчет о НИР заключительный рег.№ 0123РК01187, инв.№ 0225РК00958 от 14.10.2025 г.).
Раздел 3.
Получены опытные образцы композиционных кремниевых электродных структур и мембранно-электродного блока топливного элемента. Разработан и испытан электродный материал на основе пористого кремния, в котором создана сформированная локальная размерная структура с возможностью внесения в структуру пор наноразмерных каталитических частиц (Акт № 14-250-02/54а от 09.01.2025 г., отчет о НИР заключительный рег.№ 0123РК01187, инв.№ 0225РК00958 от 14.10.2025 г.).
Получены результаты исследования по испытанию электродных материалов и мембранно-электродного блока. Испытания МЭБ показали, что при влагопоглощении до 20–30% проводимость низкая и стабильная, а при увеличении влагопоглощения свыше 30% наблюдается резкий рост проводимости, при достижении влагонасыщения около 80% проводимость стабилизируется. Испытания по определению вольтамперных характеристик и расчёта удельной мощности образца МЭБ показали, что при росте плотности тока наблюдается падение напряжения и максимум мощности достигается в диапазоне 200–300 мВт/см²(Протокол №14-250-02/71а от 03.04.2025 г., отчет о НИР заключительный рег.№ 0123РК01187, инв.№ 0225РК00958 от 14.10.2025 г.).
Получены образцы наночастиц Cu, Fe, Pd и их размерные и оптические характеристики. Монометаллические катализаторы 5Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm получали методом влажной пропитки. Для нанесения ионов железа, палладия и меди на активированный уголь (ACm) готовили водные растворы солей FeCl₃·6H₂O, Cu(NO₃)₂·3H₂O и PdCl₂ с концентрацией 0,001 моль/л (Акт № 14-250-02/78 от 14.05.2025 г., Отчет о НИР заключительный рег.№ 0123РК01187, инв.№ 0225РК00958 от 14.10.2025 г.).
Разработана опытная модель низкотемпературного топливного элемента с усовершенствованными или новыми каталитическими системами для преобразования водородной энергетики в электрическую. Собран и испытан полноразмерный макет Ni-MH аккумулятора в формате «pouch cell» на основе разработанных композитных материалов. Прототип продемонстрировал стабильную работу с плато разряда около 1.25 В, высокую начальную удельную емкость ~230 мАч/г и хорошую начальную циклируемость (сохранение 85% емкости после 25 циклов), (Отчет о НИР заключительный рег.№ 0123РК01187, инв.№ 0225РК00958 от 14.10.2025 г.).
01.01.03. Материаловедческие исследования твердых продуктов реакции пиролиза метана в СВЧ-разряде
Руководитель этапа – начальник отдела НЯЦ РК, Туленбергенов Т.Р.
Проведены материаловедческие исследования твердых продуктов реакции пиролиза метана в СВЧ разряде на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ). Объектом исследования являлись порошки углерода, полученные в результате пиролиза метана на установке ПМ-6. Анализы проводились на микроскопе JEOL JEM-1400Plus при ускоряющем напряжении 80 кВ. Сравнительный анализ подтверждает, что структура исследуемого углеродного материала соответствует характеристикам турбостратного графита, что указывает на схожие механизмы формирования внутренней структуры. Проведенный ПЭМ-анализ углеродных образцов, синтезированных при различных мощностях (C-1, C-2 и C-3), позволил выявить особенности их морфологии и микроструктуры. Образцы демонстрируют пористую структуру с признаками слоистости, характерной для графеноподобных и турбостратных углеродных наноматериалов. Образец C-1 преимущественно состоит из рыхлых аморфных скоплений частиц с выраженной пористостью. В образце C-2 наблюдаются участки с локальной упорядоченностью и наличием графеноподобных фрагментов, включая сферические структуры с турбостратной структурой. Образец C-3 демонстрирует более выраженную кристалличность, включая домены с регулярной решеткой и дефектами, характерными для частично упорядоченных турбостратных систем.
01.02.03. Оценка экономической эффективности использования катализаторов на основе 2D материалов в процессах электрохимического выделения водорода
Руководитель этапа – начальник отдела НЯЦ РК, Туленбергенов Т.Р.
Проведен анализ композиционных материалов на основе MXene, включающие атомы или наночастицы благородных металлов, различные морфологии фосфидов кобальта, слоистые гидроксиды переходных металлов, определенные металлоорганические каркасы и углеродные нанотрубки, интегрированные в структуру MXene, сделано экономическое обоснование выбора катодных материалов. Среди катализаторов реакции выделения водорода на основе переходных металлов существуют некоторые активные варианты, но их общей проблемой является низкая удельная поверхность из-за агрегации наночастиц. Слоистые материалы класса MXene представляют собой отличную матрицу для создания композитных катализаторов благодаря уникальному сочетанию высокой электропроводности, хорошей химической и механической стабильности, а также развитой поверхности и способности к функционализации. Анализ рассмотренных исследований показывает, что наилучшие каталитические характеристики среди композиционных материалов на основе MXene демонстрируют системы, включающие атомы или наночастицы благородных металлов, различные морфологии фосфидов кобальта, слоистые гидроксиды переходных металлов, определенные металлоорганические каркасы и углеродные нанотрубки, интегрированные в структуру MXene.
Помимо каталитической активности важное значение имеет экономическая эффективность катализаторов. Целью анализа затрат на синтезы, рассмотренных в данной части работы материалов было их сравнение и соотнесение с показателями перенапряжения РВВ, а также выявление общих трендов и наиболее рентабельных катализаторов. Наилучшие сочетания показателей цена/эффективность показали: MWCNT@V2CTx (7 $/синтез, 27 мВ), Ru@Ti3C2Tx-VC (14,1 $/синтез, 35 мВ) и Ru/Ti3C2Tx/NF (21,3 $/синтез, 37 мВ). Также установлено, что наибольшим влиянием на увеличение затрат обладают редкие дорогие прекурсоры, в частности ацетилацетонат платины, гексахлорбензол и блок-сополимер Pluronics P-123, а также стоимость MAX-фаз и выбор выщелачивающего агента для получения MXene.
01.03.03. Получение мелкодисперсных композиционных порошков с прогнозируемым структурно-фазовым состоянием на основе LaNi5 для металлогидридных применений легированием Ni, Mn, Ti
Руководитель этапа – начальник лаборатории филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
В рамках реализации задач проекта получены образцы мелкодисперсных эффективных водородопоглощающих материалов на основе LaNi5+Mex для обратимого хранения водорода легированием Ti, Mn, Co. Определены размеры частиц порошковых смесей серии LNT с добавлением титана, серии LNM с добавлением марганца и серии LNC с добавление кобальта. Результаты микроскопического анализа показывают, что средний размер смеси 36%La-64%Ni-15%Ti при оборотах 350, 400 с соотношением 1:20, 1:30 составляет – 6,15 мкм, 36%La-64%Ni-15%Mn при оборотах 350, 400 с соотношением 1:20, 1:30 составляет – 2,29 мкм, в то время как размер частиц у 36%La-64%Ni-15%Co при оборотах 350, 400 с соотношением 1:20, 1:30 составляет – 1,55 мкм. Образцы серии LNT характеризуются формированием интерметаллидных фаз LaNi5 и TiNi, а также побочных оксидных фаз La2O3 и TiO2. Среди них наиболее предпочтительные характеристики демонстрирует образец LNT-1, в котором зафиксированы наибольшая интенсивность дифракционных пиков целевых фаз, а также их высокие значения среднего размера кристаллитов (LaNi5 – 86,31 нм; TiNi – 63,28 нм), что свидетельствует о наилучшей степени кристалличности. В серии LNM установлено присутствие фаз LaNi5, LaNi4Mn, LaNi3Mn2 и оксидной LaMnO3. Наиболее выраженные характеристики целевых фаз (по количеству, интенсивности пиков и размерам кристаллитов) демонстрирует образец LNM 1, что делает его наиболее перспективным для дальнейших исследований в области водородопоглощения. Средний размер кристаллитов целевых фаз в этом образце достигает: LaNi5 – 90,23 нм; LaNi4Mn – 87,61 нм; LaNi3Mn2 – 87,85 нм. В образце LNM-4 наблюдается снижение количества и интенсивности рефлексов целевых фаз, а также уменьшение размера кристаллитов, что может указывать на частичное нарушение кристаллической упорядоченности. В образцах серии LNC основными фазами являются LaNi4Co и LaNi5, сопровождающиеся оксидными соединениями La2O3 и остаточным металлическим Ni. Фаза LaNi4Co проявляется во всех образцах, наиболее интенсивно – в LNC-1 (размер кристаллитов 89,31 нм), однако степень ее кристалличности здесь ограничена. При этом образец LNC-4, несмотря на меньший размер кристаллитов LaNi4Co и LaNi5, демонстрирует наибольшее содержание целевых фаз и более выраженную кристаллическую упорядоченность, что позволяет рассматривать его как наиболее подходящий кандидат для хранения водорода.
01.04.02. Циклическая стабильность гидридов LaNi5 в условиях, приближенных к эксплуатационным
Руководитель этапа – начальник лаборатории филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
Материалы на основе LaNi5, модифицированные Ti и Mn, демонстрируют повышенную циклическую стабильность благодаря улучшенной диссоциации водорода, облегчённой диффузии Н-атома и снижению энергетических барьеров. Многокомпонентные фазы и рекристаллизация способствуют стабилизации структуры и более равномерной работе сорбционных участков, что в целом улучшает кинетику и долговечность гидридных систем при многократных циклах гидрирования/дегидрирования. Поверхностная активация/каталитические процессы – скорость адсорбции зависит от химической активности поверхности (каталитические свойства добавки). Ti часто действует как катализатор диссоциации H₂ и облегчает проникновение H-атомов в решетку. Ti и его оксиды/интерметаллические фазы часто улучшают диссоциацию H₂ на поверхности, создают благоприятные пограничные состояния, также титан вызывать небольшое расширение кристаллической решетки LaNi₅, увеличивая места для размещения H и облегчая его миграцию. Mn может входить в состав фаз, менее склонных к образованию гидридов, или создавать переходные зоны с высоким энергетическим барьером. Наличие множественных фаз/рекристаллизованных участков увеличивает распределение энергетических барьеров, что визуально дает «размытое» плато и замедленную кинетику. Mn чаще образует оксиды/фосфаты на поверхности, которые могут мешать адсорбции/десорбции.
01.05.04. Разработка 3D микропористого конденсатора водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы из растительного сырья и графеноподобных материалов, определение их физико-химических- характеристик, оптимальных условий водородоемкости и физических факторов, влияющих на процесс сорбции/десорбции. Исследование сорбционных и десорбционных свойств 3D мезопористого конденсатора водорода
Руководитель этапа – начальник лаборатории филиала ИАЭ, PhD, Мухамедова Н.М.
В рамках реализации задач проекта разработан 3D микропористый конденсатор водорода на основе микро- и нанокристаллической целлюлозы из растительного сырья и графеноподобных материалов. Определены их физико-химические характеристики, оптимальные условия водородоемкости и физических факторов, влияющих на процесс сорбции/десорбции. Изучены водородосорбционные свойства аэрогеля 3%MCC/PAm-3%CNF с площадью поверхности 3000 см2/г. Согласно полученным результатам, начиная с низкого давления, процесс сорбции водорода идет активно. При давлении 1 бар сорбционная емкость аэрогеля составила 0,8%. Исследования показали, что водородоемкие свойства материалов напрямую зависят от площади их поверхности.
Изучение кинетики сорбции водорода аэрогелем 3%MCC/PAm-3%CNF-5%GO показало, что процесс сорбции на начальном этапе характеризуется быстрым ростом, после чего постепенно достигает состояния насыщения. В области низкого давления (0–200 mbar) наблюдается резкое увеличение сорбции водорода, что связано с наличием большого количества свободных активных центров и лёгкой адсорбцией газа. В среднем диапазоне давлений (200–600 mbar) скорость сорбции замедляется, однако рост всё ещё продолжается. В области высоких давлений (600–1000 mbar) величина сорбции стабилизируется и стремится к состоянию насыщения. Максимальная сорбционная ёмкость составила около 4 wt.%, что в 4 раза превышает показатель для 3%MCC/PAm-3%CNF. Процесс сорбции водорода был воспроизведён на одном образце до 21 цикла.Согласно полученным результатам изучения зависимости десорбции водорода в аэрогеле 3%MCC/PAm-3%CNF-5%GO от температуры, в низкотемпературной области (25–100 °C) массовая доля водорода остаётся практически постоянной (≈4 wt%). Это свидетельствует о том, что водород находится в связанном состоянии на поверхности или в объёме материала и существенная десорбция не происходит. В области средних температур (100–150 °C) начинается процесс десорбции. Согласно графику, массовая доля водорода резко уменьшается. Это указывает на то, что энергия связывания водорода в материале имеет среднее значение. Основной процесс десорбции протекает именно в данном температурном интервале. В высокотемпературной области (150–200 °C) массовая доля водорода стремится к нулю. Это означает, что при данной температуре большая часть водорода полностью десорбируется из материала.
01.06.05. Испытание электродных материалов и блока МЭБ, сравнительный анализ
Руководитель этапа – Заместитель директора филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
В рамках реализации задач проекта получена мембрана методом пропитки пористого кремния раствором PVA–H₃PO₄ (20:80 масс.%) с последующей сушкой при 60 °C до стабильной массы, электроды Pt–Co (катод) и Pd–Cu (анод), нанесённые на углеродный носитель Vulcan XC72 были герметично прикреплены к обеим сторонам мембраны. Сборка МЭБ осуществлялась в прессуемом тестовом корпусе с использованием прокладок и токосъёмников из графита (предварительно подрезались электроды по площади активной зоны 1 см², совмещали мембрану и электроды в прессе с графитовыми токосъёмниками и прокладками, сжимали сборку в пресс-ячейке с усилием 50–80 Н для контакта между слоями).
Согласно полученным данным по испытаниям электродов из пористого кремния для определения физико-химических и механических свойств, удельная поверхность составила 105–180 м²/г, объём пор 0.1–0.2 см³/г, средний диаметр пор ~18–22 нм, поверхностная энергия составила 45–55 мДж/м², гидрофобность 72–84°, химическая устойчивость в pH 3–10, содержание Si - ≥ 98,5 мас.%, коррозионная устойчивость в H₂SO₄ - > 72 ч при 60°C, микротвёрдость по Виккерсу составила 0.3–0.6 ГПа, прочность на изгиб - ~20–30 МПа, модуль упругости - 2.8–4.5 ГПа, термическая стабильность TGA/DTA до 250°C. Как видно из полученных данных пористый кремний обладает целым рядом физико-механических и термических свойств, обеспечивающих его пригодность в качестве эффективного материала для электродов низкотемпературных топливных элементов. Он сочетает достаточную механическую прочность, устойчивость к температурным воздействиям и высокую совместимость с катализаторами. Представленные физико-химические свойства демонстрируют возможность его использования в качестве универсального «шаблона-подложки».
01.06.06. Оценка работоспособности материалов-сорбентов и возможности применения в электрохимическом и металлогидридном способе накапливания водорода
Руководитель этапа – Заместитель директора филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Для испытания блока МЭБ ТЭ на основе пористого кремния разработан и изготовлен материал мембраны, полученный образец композитного состава на основе матрицы пористого кремния и наполнителя - протонпроводящего электролита PVA/H₃PO₄ (85:15 масс.% толщиной 350-400 мкм). Температурная зависимость ионной проводимости композита «пористый кремний/PVA–H₃PO₄» показала, что при 25 °C ионная проводимость составляет около 1.2 мСм/см, что соответствует нижней границе применимости в низкотемпературных ТЭ. С увеличением температуры до 75 °C наблюдается монотонный рост проводимости до ~5.4 мСм/см. Данный рост обусловлен повышением подвижности протонов и интенсификацией водородной проводимости в PVA-H₃PO₄ гелеобразной матрице. Температурно-зависимая проводимость особенно эффективна при высокой влажности и температуре, что делает её подходящей для условий с переменной влажностью и умеренным нагревом.
Образец МЭБ на базе композитной мембраны «пористый кремний/PVA–H₃PO₄» при 25 °C и при влажности ниже 20 % обладает низкой ~10⁻⁴ См/см. проводимостью, рост после 30–45 %, а при насыщении 85–95 % достигается уровень ~1.2×10⁻¹ См/см. У исследуемого образца МЭБ с мембраной из PVA–H₃PO₄ при 50 °C наблюдается увеличение ионной подвижности, проводимость возрастает почти в 1.8 раза на всём диапазоне. При 75 °C этот же образец демонстрирует самый высокий уровень проводимости до ~3.4×10⁻¹ См/см при 95 % RH, что говорит о высоком потенциале такого МЭБ. Если сравнивать с известными данными, например с Nafion, то он имеет более высокую базовую проводимость при 25 °C ~2.5×10⁻¹ См/см при 90 % RH, однако, при повышении температуры PVA–H₃PO₄ приближается к нему. Испытания по определению вольтамперных характеристик и расчёта удельной мощности образца МЭБ (мембрана - «пористый кремний/PVA–H₃PO₄», где содержание PVA–H₃PO₄ 20:80 масс.% /катод - Pt–Co-углеродный носитель/ анод - Pd–Cu- углеродный носитель) показывают, что при росте плотности тока наблюдается падение напряжения и максимум мощности достигается в диапазоне 200–300 мВт/см².
01.07.04. Синтез наночастиц переходных металлов (Cu, Fe, Pd). Разработка способа нанесения наночастиц в объем модифицированных угольных носителей. Изучение их физико-химических и электрохимических свойств и электрохимической устойчивости каталитических систем. Изучение их размерных и оптических характеристик
Руководитель этапа – Заместитель директора филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
В рамках реализации задач проекта получены монометаллические катализаторы 5Pd/ACm, 10Cu/ACm, 10Fe/ACm методом влажной пропитки. Для нанесения ионов железа, палладия и меди на активированный уголь (ACm) готовили водные растворы солей FeCl₃·6H₂O, Cu(NO₃)₂·3H₂O и PdCl₂ с концентрацией 0,001 моль/л. Полученные растворы при перемешивании добавляли к ACm, продолжали перемешивать в течение 10 минут, после чего оставляли при комнатной температуре на 4 часа для полной сорбции ионов металлов. Далее материал сушили при 150 °C в течение 2 ч для удаления влаги, а затем при 300 °C в течение 4 ч для закрепления металлических ионов. После сушки образцы охлаждали до комнатной температуры.
Биметаллические системы 3Pd–7Cu/ACm и 3Pd–7Fe/ACm получали также методом влажной пропитки. Для этого соли Cu(NO₃)₂·3H₂O растворяли в дистиллированной воде, а PdCl₂ — в водно-спиртовом растворе (90 % этанол: вода = 30:70 мл/мл). В смесь добавляли 1 г ACm, перемешивали 10 минут и выдерживали при комнатной температуре 4 ч для сорбции ионов металлов. Процедуры промывки, удаления влаги и сушки проводили аналогично процессу получения 5Pd/ACm. Затем к 5Pd/ACm добавляли 0,5 г Cu(NO₃)₂·3H₂O или 0,8 г FeCl₃·6H₂O, предварительно растворённых в 5 мл воды. Смесь нагревали до 55–60 °C, перемешивали 30 минут, после чего проводили промывку и сушку по аналогии с синтезом 10Cu/ACm.
Для восстановления ионов металлов в порах носителя ACm использовали раствор NaBH₄. В 20 мл воды растворяли 1,6 г NaBH₄. Каждую из каталитических систем (10Cu/ACm, 10Fe/ACm, 5Pd/ACm, 3Pd–7Cu/ACm и 3Pd–7Fe/ACm) по отдельности помещали в 50 мл воды, поддерживая pH > 7 с помощью добавления 1 мл 5 М NaOH. Раствор NaBH₄ вводили медленно до появления выделения водорода, смесь перемешивали 3 ч. Полученный материал сушили при 150 °C в течение 2 ч, затем выдерживали при 300 °C в течение 4 ч для фиксации металлов. После сушки образцы охлаждали до комнатной температуры в эксикаторе.
Установлено, что удельная поверхность пор синтезированных катализаторов находится в пределах 2296,101–2672,132 м2/г и находится в пределах показателя SW носителя AСm.
Во всех образцах катализаторов наблюдается уменьшение общего объема пор, значения которых составляет 36,627, 73,948, 64,932, 65,636 и 53,652 мл/г для 5Pd/AСm, 10Cu/AСm, 10Fe/ACm и 3Pd-7Cu/AСm, 3Pd-7Fe/ACm соответственно. Это свидетельствует о том, что пористая структура катализаторов хорошо развита, причем данное явление характерно для палладиевого катализатора. Это указывает на увеличение количеств мест для адсорбции. В ходе проведённого исследования было установлено, что модификация электродов из активированного угля наночастицамиCu, Fe и Pd существенно повышает их электрохимическую активность и стабильность в процессе восстановления кислорода. Катализатор на основе Fe выделялся максимальной плотностью тока и минимальным сопротивлением переноса заряда, тогда как катализатор на основе Pd характеризовался низким потенциалом начала реакции и устойчивой работой. Катализатор на основе меди (Cu) также проявил активность, но в сравнении с другими металлами его эффективность была ниже.
Циклические вольтамперометрические исследования в системе K3[Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻ показали различия в способности катализаторов к электронному обмену и в их поверхностной проводимости. Результаты EIS позволили сравнить сопротивление переноса заряда: модификация железом (Fe) обеспечила наименьшее значение импеданса. Результаты хронопотенциостатических испытаний продемонстрировали, что электроды, модифицированные металлами, способны удерживать стабильный потенциал в течение длительного времени, что подтверждает их пригодность для долговременного использования. Особенно высокую стабильность проявили образцы ACNaOH/Fe и ACNaOH/Pd. Полученные результаты позволяют рассматривать активированный уголь, модифицированный наночастицамиFe и Pd, как перспективные, стабильные и эффективные материалы для процессов восстановления кислорода.
01.08.05 Подбор катода аккумулятора, оптимизация его работы и проведение комплекса электрохимических испытаний на устойчивость, саморазряд и температурную зависимость характеристик
Руководитель этапа – Заместитель директора филиала ИАЭ, PhD, Миниязов А.Ж.
Синтезирован и всесторонне исследован композитный катодный материал Ni(OH)2/C методом химического соосаждения. Доказано, что данный материал значительно превосходит аналоги, обладая комплексом улучшенных характеристик: высокой удельной емкостью (~265 мАч/г), превосходной циклической стабильностью (сохранение ~87% после 100 циклов), отличными скоростными показателями (~225мАч/г при 10С) и высокой устойчивостью к низким температурам (сохранение ~85% емкости при -10 °C).
В рамках реализации программы за 2023-2025 годы опубликованы:
– 9 статей в рецензируемых научных изданиях по научному направлению программы, входящих в 1 (первый), 2 (второй) и (или) 3 (третий) квартиль по импакт-фактору в базе данных Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50 (пятидесяти);
– 15 статей в журналах, рекомендованных КОКСНВО;
– 3 монографий казахстанских издательств;
– 5 объектов интеллектуальной собственности (патенты), зарегистрированных в Национальном Институте интеллектуальной собственности Республики Казахстан.