Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінде философия докторы (PhD) дәрежесін алу үшін Алина Рита Ажимұратқызы «8D05305 – Ядролық физика» білім беру бағдарламасы бойынша «NaxCu2-yS нанокомпозитті жоғары ионды материалдардағы химиялық диффузия және иондық өткізгіштік» тақырыбында диссертациясы қорғалады.
Диссертация Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің «Ядролық физика, жаңа материалдар мен технологиялар кафедрасы» кафедрасында орындалды.
Қорғау тілі - орыс тілінде
Ресми рецензенттер:
- Ильясов Бауржан Рашитович – философия докторы (PhD), Astana IT University «Интеллектуалды жүйелер және киберқауіпсіздік» департаментінің қауымдастырылған профессоры (Астана қ., Қазақстан Республикасы);
- Зейниденов Асылбек Калкенович – философия докторы (PhD), академик Е. А. Бөкетов атындағы Қарағанды университетінің «Радиофизика және электроника» кафедрасының қауымдастырылған профессоры (Қарағанды қ., Қазақстан Республикасы).
Диссертациялық кеңестің уақытша мүшелері:
- Беріков Данияр Берікұлы – философия докторы (PhD), қауымдастырылған профессор, Ядролық физика институты ядролық процестер зертханасының (ЯПЗ) аға ғылыми қызметкері (Алматы қ., Қазақстан Республикасы);
- Таткеева Галина Галимзяновна – техника ғылымдары докторы, профессор, С. Сейфуллин атындағы Қазақ агротехникалық зерттеу университетінің «Электрмен жабдықтау» кафедрасының меңгерушісі (Астана қ., Қазақстан Республикасы);
- Кудрейко Алексей Альфредович – физика-математика ғылымдарының докторы, доцент, Уфа ғылым және технологиялар университетінің профессоры (Уфа қ., Ресей Федерациясы).
Ғылыми кеңесшілері:
- Кубенова Маржан Маликовна – философия докторы (PhD), Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің «Стандарттау, сертификаттау және метрология» кафедрасының оқытушы-зерттеушісі (Астана қ., Қазақстан Республикасы);
- Кутербеков Кайрат Атажанович – физика-математика ғылымдарының докторы, Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің «Ядролық физика, жаңа материалдар және технологиялар» кафедрасының профессоры (Астана қ., Қазақстан Республикасы);
- Балапанов Малик Хамитович – физика-математика ғылымдарының докторы, профессор, Уфа ғылым және технологиялар университетінің «Жалпы физика» кафедрасының меңгерушісі (Уфа қ., Ресей Федерациясы).
Қорғау 2025 жылғы 10 қыркүйек, сағат 12:00 Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің «8D05305 – Ядролық физика» білім беру бағдарламасы бойынша «8D053 – Физикалық және химиялық ғылымдар» кадрларды даярлау бағыты бойынша диссертациялық кеңесте аралас форматта өтеді. . Онлайн трансляция Microsoft Teams платформасында жүргізіледі.
Сілтемесі: https://clck.ru/3Mra7d
Мекен-жайы: Астана қаласы, Сәтбаев көшесі 2, 302 аудитория
Аңдатпа (қаз.): Алина Рита Ажимұратқызының «8D05305 – Ядролық физика» білім беру бағдарламасы бойынша философия докторы (PhD) ғылыми дәрежесін алу үшін ұсынылған «NaxCu2-yS нанокомпозитті жоғары ионды материалдардағы химиялық диффузия және иондық өткізгіштік» диссертациялық жұмысына АҢДАТПА Жұмыстың жалпы сипаттамасы Диссертация NaₓCu₁.₇₅S (x = 0.1, 0.15, 0.2, 0.25) нанокомпозитті жоғары ионды материалдардағы иондық өткізгіштік пен химиялық диффузияны тәжірибелік зерттеуге арналған. Жұмыс шеңберінде функционалдық материалдардың иондық өткізгіштік, диффузия және термоэлектрлік сипаттамаларының тәуелділігін зерттеуге бағытталған зерттеулер жүргізілді. Зерттеу тақырыбының өзектілігі жоғары радиациялық фон жағдайында жұмыс істейтін баламалы энергетиканы қоса алғанда, заманауи технологиялар үшін жаңа энергия жинақтаушы материалдарды әзірлеу қажеттілігіне байланысты. Әлемдегі литийдің жоғары құны мен тапшылығы балама материалдар мен технологияларды іздеуді ынталандырады. Осыған байланысты натрий-ионды аккумуляторлар натрийдің қол жетімділігі мен натрий-ионды электролиттер мен натрий-ионды энергия сақтайтын электрод материалдарының болуына байланысты литий-ионды аккумуляторға жақсы балама болып табылады. Зерттеу эксперименттік және теориялық тәсілдерді қолдана отырып, күрделі сульфидті қосылыстардағы фазалық күйлерді, ақаулы құрылымды және ион динамикасын талдауды қамтиды. Нәтижелер натрий-ионды аккумуляторлар үшін жаңа электрод материалдарын жасауға ғана емес, сонымен қатар супериондық ортадағы иондық тасымалдаудың негізгі механизмдерін түсінуді тереңдетуге көмектеседі. Мыс халькогенидтеріндегі иондар мен электрондардың (кемтіктердің) химиялық диффузия процесі стехиометрия емес дәрежесінің градиентінің әсерінен жүреді. Электронейтралдылық принципінің, диффузияның әсерінен аралас электронды-иондық өткізгіштегі иондардың секірулері бейтарап атомдардың секірулері сияқты заттың қозғалуына әкеледі. Пайда болған ішкі электр өрісі «баяу» бөлшектердің (катиондардың) қозғалысын жылдамдатады және «жылдам» бөлшектердің (электронды кемтіктердің) қозғалысын жылдамдатады. Бұл зерттелген Na0.10Cu1.75S, Na0.15Cu1.75S, Na0.20Cu1.75S электронды-иондық өткізгіштердегі химиялық диффузия коэффициенттерінің байқалған жоғары мәндерін түсіндіреді. Химиялық диффузия коэффициенті қатты заттар үшін ең жоғары мәнге ие, 410 °C температурада Na0.10Cu1.75S қорытпасы үшін 1,6∙10-3 см2с-1 дейін жетеді. Сонымен қатар, кристалдық торда натрийдің болуы екілік мыс сульфидімен салыстырғанда иондық тасымалдау жағдайларын айтарлықтай өзгертетіні анықталды. Na0.10Cu1.75S және Na0.20Cu1.75S материалы үшін иондық өткізгіштіктің активтену энергиясы ірі түйіршікті мыс сульфидіне қарағанда үш есе жоғары. Бұл композициялар үшін химиялық диффузияның активтену энергиясы олардың иондық өткізгіштігінен шамамен екі есе жоғары. Натриймен алмастырылған мыс сульфидтеріндегі химиялық диффузия коэффициенттерінің жоғары мәндері белсенді электрод материалы ретінде мыс сульфидтерін пайдаланатын натрий-ионды аккумуляторлардың ток тығыздығының жоғарылауына үміттенеді. Термоэлектрлік материалдардың дамуы қазіргі заманғы қолданбалы физиканың маңызды бағыты болып табылады, оның ішінде жаңа материалдар мен атом энергетикасы саласында термоэлектрлік тиімділігі жоғары, жоғары температурадағы тұрақтылығы және ядролық қондырғыларға тән радиациялық әсерлерге төзімділігі бар қосылыстарды іздеу ерекше өзекті болып табылады. Қазіргі зерттеулер мыс сульфидтерінің сутегі өндіру процестерінде жақсы белсенділікке ие болуы мүмкін екенін көрсетеді. Қатты оксидті отын элементтері отынның химиялық энергиясын жоғары тиімділікпен электр энергиясына айналдыратын заманауи энергетикалық технологиялардың маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Қатты оксидті отын элементтерінің жұмысын жақсарту саласындағы перспективалы бағыттардың бірі термоэлектрлік материалдарды пайдалану болып табылады. Диссертацияда алынған NaxCu2-yS халькогенидтеріне негізделген, жоғары аралас иондық-электронды өткізгіштігі және химиялық диффузияның маңызды коэффициенттері бар материалдарды сутегі энергетикасы технологияларында тиімді пайдалануға болады. Диссертациялық жұмыстың өзектілігі Диссертациялық зерттеудің мақсаты нанокомпозиттік суперионды материалдардағы NaₓCu₁.₇₅S (x = 0.1, 0.15, 0.2, 0.25) иондық өткізгіштікті, химиялық диффузияны және термоэлектрлік қасиеттерді эксперименттік және зерттеу болып табылады. Зерттеу мақсаттары Мақсатты іске асыру үшін келесі міндеттер белгіленді: – Натрий-иондық өткізгіштігі жоғары синтез үшін бастапқы материалдарды зерттеу және таңдау. – Жоғары өткізгіштік қасиеттері бар материалды алу үшін наноөлшемді құрылымдарды синтездеу технологиясын пысықтау. – Процестер мен алынған материалдардың тұрақтылығын бағалау үшін бірқатар синтездер жүргізу. – Қатты ерітінділердің түзілуі – Таңдалған функционалды материалдар негізінде қатты ерітінділердің синтезі. – Алынған функционалдық материалдарды NaCuS дифференциалды сканерлеу калориметриясы (ДСК), электрондық микроскопия және рентгенқұрылымдық талдау әдісімен аттестаттау. – Иондық өткізгіштік пен химиялық диффузияны эксперименттік зерттеу. – Термоэлектрлік қасиеттерді эксперименттік зерттеу Зерттеу объектісі Cu1.996S, Cu1.75S, Na0.10Cu1.75S, Na0.15Cu1.75S, Na0.20Cu1.75S, Na0.25Cu1.75S функционалды материалдары әртүрлі натрий мөлшерімен біріктірілген және суперионды өткізгіштігі бар мыс сульфиді болып табылады. Зерттеу пәні Әр түрлі натрий көрсеткіштері бар NaxCu1.75S (x = 0.1, 0.15, 0.2, 0.25) мыс сульфидтеріне негізделген материалдардағы химиялық және иондық диффузия процестерін зерттеу және олардың суперионды өткізгіштігімен байланысы. Зерттеу барысында иондық өткізгіштік механизмдері және осы материалдардың функционалдық қасиеттеріне әсер ететін диффузиялық процестер талданады, бұл олардың иондық өткізгіштігі жоғары электрохимиялық жүйелерде әлеуетті қолданылуын бағалауға мүмкіндік береді. Зерттеу әдістері Материалдарды синтездеу үшін сілтілі ортада төмен температуралы синтездеу әдістері, сондай-ақ суық және жоғары температурада престеу қолданылады. Алынған материалдардың қасиеттерін басқару мыс пен сульфид иондарын легирлеу, алмастыру, кулонометриялық титрлеу, сондай-ақ наноқұрылым мен термиялық өңдеу арқылы жүзеге асырылды. Материалдарды сипаттау үшін рентгендік дифракция, электронды микроскопияны сканерлеу, атомдық күш микроскопиясы және дифференциалды сканерлеу калориметриясы қолданылды. Электрондық және иондық өткізгіштікті, электронды және иондық термо-э.д.с. коэффициенттерін, химиялық диффузия және өзін-өзі диффузия коэффициенттерін өлшеу үшін сәйкес электронды және иондық сүзгілері мен зондтары бар өлшеу жасушалары қолданылады, өйткені материалдар аралас электронды-иондық өткізгіштікті көрсетеді. Электрондық меншікті қарсылық пен Зеебек коэффициенті Ulvac (Japan) қолда бар ZЕM-3 қондырғысында өлшенді. Жылу сыйымдылығы, температура өткізгіштігі және жылу өткізгіштігі Netzsch LFA 457 және NETZSCH DSC 200F3 (Германия) құрылғыларында өлшенді. Қорғауға ұсынылған негізгі тұжырымдар 1 Cu1.75S құрылымына натрийдің қосылуы Na2Cu4S3 және Na3Cu4S4 сияқты жаңа фазалардың пайда болуына әкелетіні анықталды, бұл ион1 өткізгіштігін және химиялық диффузия коэффициенттерін айтарлықтай жақсартады. Материалдардағы натрий концентрациясының жоғарылауы нәтижесінде жоғары иондық өткізгіштік сақталады, бұл функционалдық қасиеттердің тұрақтылығын және осы материалдардың натрий концентрациясының кең ауқымында иондардың тиімді тасымалдануын қамтамасыз ететін әлеуетті қабілетін растайды. 2 Рентгендік фазалық талдау және электронды-микроскопиялық зерттеулер негізінде натрий концентрациясының өзгеруі кезінде NaₓCu2-yS қорытпасындағы кристаллохимиялық және морфологиялық трансформация сенімді түрде анықталды. Негізгі фаза бөлме температурасында тұрақты cu1.81S триклин роксбииті болып табылады. Na⁺иондарын кристалдық торға енгізген кезде Na2Cu4S3 және Na3Cu4S4 түзу үшін фазалық бөліну байқалады, ол морфологиялық қайта құрумен бірге жүреді — изотропты бөлшектерден анизотропты нанопластинкаларға дейін. Белгіленген өзгерістер катиондық тіректің қайта құрылуымен, ақаудың жоғарылауымен және иондық қозғалғыштықтың өсуімен байланысты. 3 150 °C температурада NaxCu1.75S үшін D химиялық натрий диффузиясының коэффициенттері 1.2×10⁻ ⁷ ⁻дан 2.8×10 см2/с аралықта болатыны және натрий мөлшерінің жоғарылауымен жоғарылайтыны анықталды, бұл зерттелетін материалдардағы иондық тасымалдаудың кинетикалық сипаттамаларының жақсарғанын көрсетеді. 4 NaxCu1.75S қосылыстарындағы натрий (x) мөлшерінің жоғарылауымен иондық өткізгіштіктің активтену энергиясы төмендейтіні анықталды: x = 0.10 кезінде 0.34 эВ-ден x = 0.25 кезінде 0.22 эВ-ге дейін, бұл натрий иондарының қозғалғыштығының жоғарылауын және кристалдық тордағы иондық тасымалдаудың жақсарғанын көрсетеді. Жұмыстың ғылыми жаңалығы 1 NaxCu1.75S (x = 0.1, 0.15, 0.2, 25) нанокомпозиттік суперионды материалдарындағы иондық өткізгіштік және химиялық диффузия бойынша жаңа эксперименттік деректер алынды. 2 Алғаш рет катиондар мен электронды кемтіктердің химиялық диффузия коэффициентінің жоғары мәндері алынды (1.1∙10-3 и 1.65∙10-3 см2/с при 410o C) зерттелген Na0.10Cu1.75S және Na0.20Cu1.75S электронды-иондық өткізгіштерде байқалды. 3 Супериондық фазаларда Na0.10Cu1.75S үшін 0,30 эВ және Na0.15Cu1.75S үшін 0,40 эВ болатын толық иондық өткізгіштіктің активтену энергиясы анықталды. 4 NaxCu1.75S жүйелерінде алғаш рет мыс сульфидіне жеткілікті жоғары концентрацияда натрийді енгізу суперион фазасында жоғары иондық өткізгіштіктің нашарлауына әкелмейтіні анықталды. NaₓCu2-yS нанопластинкаларында тұрақты түйіршік шекаралары мен фазааралық шекараларды қалыптастыру электродтың сыйымдылығын қалпына келтіруге және ұсақтауға төзімділікті арттыруға көмектеседі, бұл катодтың қызмет ету мерзімін ұзартады. Жұмыстың ғылыми-практикалық құндылығы Зерттеу барысында алынған нәтижелер айтарлықтай ғылыми және практикалық құндылыққа ие. Жұмыстың маңыздылығы NaxCu1.75S мыс сульфидтері негізінде жаңа супериондық материалдарды әзірлеу болып табылады, бұл натрий-ионды аккумуляторлар үшін тиімді электрод материалдарын жасау үшін қажетті иондық өткізгіштік және химиялық диффузия механизмдерін түсінуді кеңейтеді. Жұмыс литий-ионға балама ұсына отырып, осындай батареялардың өнімділігін жақсартуға бағытталған, бұл әсіресе электр көлігі сияқты экологиялық таза технологиялар үшін өте маңызды. Қолданылатын талдау әдістері материалдардың құрылымы мен қасиеттері туралы толығырақ мәліметтер алуға мүмкіндік береді, бұл батарея жүйелері үшін тиімдірек шешімдер жасауға ықпал етеді. Жұмыстың практикалық құндылығы аккумуляторлардың өнімділігі мен беріктігін жақсартатын жоғары иондық өткізгіштігі мен тұрақтылығы бар арзан және экологиялық таза материалдарды әзірлеу болып табылады. Сонымен қатар, синтезделген материалдарды термоэлектрлік құрылғыларда және басқа энергетикалық жүйелерде қолдануға болады, бұл сенсорлар мен катализаторлар сияқты жоғары технологиялық салаларда қолданудың жаңа мүмкіндіктерін ашады. Жұмыс аккумуляторлық жүйелер мен энергетика технологияларының дамуына айтарлықтай үлес қосады. Автордың жеке үлесі Диссертациялық жұмыстың авторы эксперименттерді ұйымдастыруға және өткізуге, сондай-ақ алынған деректерді талдауға және өңдеуге белсенді қатысты. Жұмысты апробациялау Диссертациялық жұмыс материалдары бойынша 8 жұмыс жарияланды, оның ішінде 1 мақала Scopus, Web of Science дерекқорына кіретін нөлдік емес импакт-факторы бар басылымда; 3 мақала – ҚР БҒМ КОКСОН ұсынған тізбеге кіретін журналдарда, 4 мақала – халықаралық конференциялар материалдарының жинақтарында жарияланды. Диссертацияның құрылымы мен көлемі Диссертация кіріспеден, 4 бөлімнен, қорытындыдан, пайдаланылған дереккөздер тізімінен тұрады. Диссертация көлемі – 47 сурет пен 1 кестеден тұратын 97 бетті құрайды, қолданылған әдебиеттер тізімі – 93. Кіріспеде зерттеудің өзектілігі, жүргізілген шолу және осы зерттеумен байланысты белгілі бір проблемалар көрсетілген. Жұмыстың мақсаттары, алынған нәтижелердің жаңалығы, сондай-ақ олардың ғылыми және практикалық маңыздылығы көрсетілген. Диссертациялық жұмыста қорғауға ұсынылған негізгі тұжырымдар келтірілген, автордың жеке үлесі сипатталған, жұмыстың жарияланымдары, сондай-ақ зерттеудің қысқаша мазмұны көрсетілген. Бірінші бөлімде диссертация тақырыбына қатысты барлық зерттеулер мен жарияланымдарға шолу көрсетілген. Мыс халькогенидтері натрий-ионды өткізгіштігі бар перспективті функционалды материалдар ретінде қарастырылады. Осы материалдарды алу үшін қолданылатын негізгі синтез әдістері, олардың артықшылықтары мен кемшіліктері талқыланады. Сондай-ақ, қолданыстағы әдістерге талдау жасалады, олардың тиімділігі мен соңғы өнімдердің қасиеттеріне әсеріне назар аударылады. Атап айтқанда, металл сульфидтерінің монокристалдарын, соның ішінде мыс сульфидтерін синтездеу тәсілдері қарастырылады, бұл материалдардың қажетті өткізгіштік сипаттамалары мен тұрақтылығына қол жеткізу үшін оңтайлы жағдайларды таңдаудың маңыздылығын көрсетеді. Екінші бөлімде материалдарды синтездеудің негізгі әдістері талқыланады. Электрондық микроскопия, рентген құрылымын талдау, өткізгіштік пен жылу өткізгіштік температурасын өлшеу әдістемесі, дифференциалды сканерлеу калориметриясы әдісі, электр өткізгіштігін және термо-ЭҚК коэффициентін бағалау әдістемесі, сондай-ақ химиялық диффузия коэффициентін бағалау әдістемесі сияқты негізгі эксперименттік өлшеу әдістері сипатталған. Үшінші бөлімде рентгенофазалық талдауды, электронды микроскопияны, дифференциалды сканерлеу калориметриясын, сондай-ақ иондық өткізгіштік, химиялық диффузия және өзін-өзі диффузиялау коэффициенттері туралы деректерді қамтитын эксперименттік зерттеулердің нәтижелері көрсетілген. Төртінші бөлімде NaxCu1.75S (x = 0.1, 0.15, 0.2, 25) стехиометриялық емес нанокристалды суперионды материалдардағы иондық өткізгіштік және химиялық диффузия эксперименттерінің нәтижелері келтірілген. Зерттелген Na0.10Cu1.75S және Na0.20Cu1.75S электронды-иондық өткізгіштерде катиондар мен электронды кемтіктердің химиялық диффузия коэффициентінің жоғары мәндері (1,1∙10-3 және 1,65∙10-3 см2/с 410° C температурада) байқалды. Толық иондық өткізгіштіктің активтендіру энергиясы сәйкесінше Na0.10Cu1.75S және Na0.15Cu1.75S супериондық фазалары үшін 0,30 және 0,40 эВ ретінде өлшенеді. Супериондық фазаларда жалпы иондық өткізгіштіктің өлшенген мәндері сәйкесінше 410 °C температурада Na0.10Cu1.75S, Na0.15Cu1.75S және Na0,20Cu1,75S үшін 2,8,1,5 және 2,0 С/см құрайды. Осылайша, мыс сульфидіне натрийді енгізу суперионды фазада жоғары ионды өткізгіштіктің нашарлауына әкелмейді. Na0.10Cu1.75S термоэлектрлік қасиеттерінің нәтижелері ұсынылған. Na0.10Cu1.75S қорытпасында (300-500)о С с интервалында электронды термо-ЭҚК (200 ÷ 300)мкВ/К коэффициентінің мәндері анықталды. Na0.10Cu1.75S қорытпасы өте жоғары емес электронды өткізгіштікке ие (2 - 85) Ом-1см-1 температуралық интервалда (100-500)о С, супериондық күйде материал төмен жылу өткізгіштікке ие (0,17-2,1) Вт м-1 К-1. Аталған қасиеттердің жиынтығы ZT = 0.14 өлшемсіз термоэлектрлік тиімділік мәндерін 445º C температурада қамтамасыз етеді бұл жоғары тиімді термоэлектрлік материалдармен салыстырғанда шектеулі тиімділікті көрсетеді, бұл оның термоэлектрлік өнімділігін арттыру мақсатында осы материалдың құрамы мен құрылымын одан әрі жақсартуға мүмкіндік береді. Қорытындыда диссертациялық жұмыстың қорытындылары шығарылады және негізгі нәтижелері тұжырымдалады.
Зерттеулерді этикалық бағалау жөніндегі комиссияның қорытындысы
Диссертациялық кеңестің шешімі
Диссертация қорғауының бейнежазбасы: https://www.youtube.com/watch?v=zJ2tdsliyX8&ab_channel=ENUOFFICIAL
