Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінде философия докторы (PhD) дәрежесін алу үшін Бакалбаева Гулшат Аккуловна «8D05305 – Ядролық физика» білім беру бағдарламасы бойынша «Қатты оксидті отын элементін пайдалану үшін жоғары активті катодты жасау» тақырыбында диссертациясы қорғалады.
Диссертация Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің «Ядролық физика, жаңа материалдар мен технологиялар» кафедрасында орындалды.
Қорғау тілі - қазақ тілінде
Ресми рецензенттер:
Алмасов Нурлан Жумабекович – философия докторы (PhD), Astana IT University-нің бас ғылыми қызметкері (Астана қ., Қазақстан Республикасы).
Танашева Назгуль Кадыралиевна – философия докторы (PhD), Е. А. Бөкетов атындағы Қарағанды ұлттық зерттеу университетінің Физика-техникалық факультеті, профессор Ж. С. Ақылбаев атындағы инженерлік жылу физикасы кафедрасының профессоры, «Баламалы энергетика» ғылыми-зерттеу орталығының жетекшісі (Қарағанды қ., Қазақстан Республикасы).
Диссертациялық кеңестің уақытша мүшелері:
Таурбеков Азамат Таттибекович – философия докторы (PhD), Жану проблемалары институтының жетекші ғылыми қызметкері (Алматы қ., Қазақстан Республикасы).
Маматкулов Кахрамон Зиядуллаевич – физика-математика ғылымдарының кандидаты, Ядролық зерттеулер біріккен институтының И. М. Франк атындағы Нейтрондық физика зертханасының Раман спектроскопиясы секторындағы топ жетекшісі (Дубна қ., Ресей Федерациясы).
Жунусбеков Амангельды Магмурович – физика-математика ғылымдарының кандидаты, Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің Техникалық физика кафедрасының қауымдастырылған профессоры (Астана қ., Қазақстан Республикасы).
Ғылыми кеңесшілері:
Бекмырза Кенжебатыр Жағыпарұлы – философия докторы (PhD), Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің Техникалық физика кафедрасының қауымдастырылған профессоры (Астана қ., Қазақстан Республикасы).
Кабдрахимова Гаухар Даниловна – философия докторы (PhD), Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің Ядролық физика, жаңа материалдар және технологиялар кафедрасының қауымдастырылған профессоры (Астана қ., Қазақстан Республикасы).
Никонов Алексей Викторович – техника ғылымдарының кандидаты, Ресей ғылым академиясы, Урал бөлімшесі, Электрофизика институтының аға ғылыми қызметкері (Екатеринбург қ., Ресей Федерациясы).
Қорғау 2026 жылғы 3 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 өтеді. Диссертациялық кеңес мәжілісі аралас форматта (офлайн және онлайн) өтеді.
Сілтемесі: https://clck.ru/3UrHY6
Мекен-жайы: Астана қаласы, Қажымұқан көшесі, 13, 310 аудитория
Аңдатпа (қаз.): Диссертациялық жұмыс қатты оксидті отын элементтері үшін жоғары белсенді катодтарды жасауға арналған перспективалы материалдарды зерттеуге және олардың микрокұрылымын қалыптастырудың технологиялық тәсілдерін әзірлеуге бағытталған. Зерттеу тақырыбының өзектілігі. Қазіргі әлемдік энергетиканың даму үрдістері энергия өндірудің төмен көміртекті және экологиялық тұрғыдан қауіпсіз технологияларына көшуімен сипатталады. Экологиялық талаптардың күшеюі және парниктік газдар шығарындыларын азайту қажеттілігі баламалы энергия тасымалдағыштарға және энергияны жоғары тиімділікпен түрлендіру жүйелеріне деген қызығушылықтың артуына алып келуде. Осы тұрғыдан алғанда, сутегі – оны өндірудің әртүрлі тәсілдерінің болуы, шикізат ресурстарының іс жүзінде шексіздігі және пайдалану барысында қоршаған ортаға зиянсыздығының нәтижесінде болашағы зор энергия тасымалдағыштарының бірі болып саналады. Алайда сутегі энергетикасын кеңінен енгізу оның химиялық энергиясын электр энергиясына тиімді және сенімді түрде түрлендіретін перспективалы технологияларды әзірлеуді талап етеді. Бұл міндетті жүзеге асырудың тиімді құрылғылырының бірі – қатты оксидті отын элементтері болып табылады. Мұндай құрылғылар энергияны түрлендірудің жоғары тиімділігімен, әртүрлі отын түрлерін қолдану мүмкіндігімен және зиянды шығарындылардың төмен деңгейімен ерекшеленеді. Қатты оксидті отын элементтері жұмысының тиімділігі көп жағдайда қолданылатын электродтық материалдардың қасиеттерімен анықталады. Олардың ішінде катод ерекше маңызға ие, өйткені катодтың беткі бөлігінде оттегінің тотықсыздану реакциясы жүреді. Бұл реакцияның кинетикасы электрохимиялық процестердің жылдамдығына және отын элементінің энергетикалық сипаттамаларына тікелей әсер ететін фактор болып табылады. Осыған байланысты жоғары белсенді катодтық материалдарды әзірлеу қатты оксидті отын элементі (ҚООЭ) саласындағы маңызды ғылыми бағыттардың бірі болып табылады. Катодтық материалдар жоғары электрондық және иондық өткізгіштікке, жоғары температура жағдайында химиялық және термиялық тұрақтылыққа, электролитпен үйлесімділікке және оттегінің тотықсыздану реакциясында жоғары каталитикалық белсенділікке ие болуы тиіс. Қазіргі уақытта перовскит құрылымды оксидтік материалдар, мысалы (La,Sr)MnO₃, (La,Sr)CoO₃ және Ba₀.₅Sr₀.₅Co₀.₈Fe₀.₂O₃−δ кеңінен қолданылуда. Дегенмен, бұл материалдарды қолдану электролитпен термиялық үйлесімсіздік, құрылымдық деградацияға тез ұшырауы және кейбір компоненттердің жоғары құны сияқты мәселелермен шектеліп қалуда. Алайда, катодтық материалдардың қасиеттерін жақсартудың тиімді тәсілдерінің бірі – олардың кристалдық торын әртүрлі катиондармен легирлеу. Легирлеуші элементтерді енгізу оттегі вакансияларының концентрациясын реттеуге, кристалдық құрылым параметрлерін өзгертуге және материалдың электрондық құрылымына әсер етуге мүмкіндік береді. Нәтижесінде электрөткізгіштік, оттегінің тасымалдану жылдамдығы және оттегінің тотықсыздану реакциясының кинетикасы жақсарады. Сонымен қатар легирлеу электродтық материалдардың термиялық ұлғаю коэффициентін электролиттің қасиеттерімен үйлестіруге және жоғары температура жағдайындағы химиялық тұрақтылығын арттыруға мүмкіндік береді. Қатты оксидті отын элементтері практикалық қолдануды шектейтін тағы да бір маңызды фактор – олардың жұмыс режимінің қосылу уақытының ұзақтығы. Әдетте мұндай жүйелердің тұрақты жұмыс жағдайына жетуі бірнеше сағатты қажет етеді. Соңғы зерттеулердің нәтижесі микротүтікшелі конструкцияны қолдану отын элементтерінің іске қосылу уақытын айтарлықтай қысқартуға мүмкіндік беретінін көрсетті. Бұл құбылыс түтікше элементінің диаметрі азайған сайын оның термиялық соққыға төзімділігінің артуымен түсіндіріледі, нәтижесінде температураның күрт өзгеруі кезінде механикалық бұзылу ықтималдығы төмендейді. Сонымен қатар микротүтікшелі құрылымды пайдалану отын элементтерінің көлемдік меншікті қуатын арттыруға және олардың термиялық циклдегі соққы жағдайындағы тұрақтылығын жақсартуға мүмкіндік береді. Осыған байланысты жоғары меншікті сипаттамаларға ие микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерін (МТ-ҚООЭ) әзірлеуге арналған тиімді технологиялық тәсілдерді зерттеу өзекті ғылыми-техникалық міндеттердің бірі болып табылады. Бұл диссертацияның мақсаты – лантан-стронций ферро-кобальтиті (LSCF) негізіндегі катодтық материалдардың синтезін эксперименттік тұрғыдан зерттеу, анод тұғырлы конструкциялы микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерінің модельдік үлгілерін алу және олардың құрылымдық әрі электрохимиялық сипаттамаларын зерттеу. Зерттеу міндеттері. 1. Қатты оксидті отын элементтері үшін катод ретінде қолданылатын материалдарға аналитикалық шолу жүргізу, жоғары белсенді катодтарды жасауға арналған перспективалы құрамдарды таңдау және оларды эксперименттік зерттеу. 2. Әртүрлі химиялық құрамдағы лантан-стронций ферро-кобальтиті (LSCF) негізіндегі катодтық материалдарды синтездеу, алынған үлгілерге кешенді аттестация жүргізу, ұнтақтардың дисперстілігін, морфологиясын және фазалық құрамын талдау. Сондай-ақ олардың термиялық қасиеттерін, пісіру кинетикасы мен термиялық ұлғаю коэффициентін зерттеу. 3. Катодтық материалдардың YSZ, GDC және ScSZ электролиттерімен жоғары температура жағдайында химиялық өзара әрекеттесуін зерттеу. Олардың электрөткізгіштігі мен каталитикалық белсенділігін анықтау. Композиттік катодтарды алу және олардың құрамының электрохимиялық сипаттамаларына әсерін бағалау. 4. Микротүтікшелі конструкциядағы қатты оксидті отын элементтерін қалыптастырудың технологиялық тәсілдерін жетілдіру, анод тұғырлы құрылымды модельдік микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерін сипаттамаларын зерттеу. Зерттеу нысаны ретінде әртүрлі химиялық құрамдағы лантан-стронций ферро-кобальтиті негізіндегі катодтық материалдар La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ (x=0.2, 0.4; y=0.2, 0.8), сондай-ақ тұрақтандырылған цирконий оксиді (YSZ), церий оксиді (GDC) және скандиймен тұрақтандырылған цирконий оксиді (ScSZ) негізіндегі электролиттік материалдар болып табылады. Зерттеу пәні ретінде лантан-стронций ферро-кобальтиті (LSCF) негізіндегі катодтық материалдардың құрылымдық, физика-химиялық және электрохимиялық қасиеттері, олардың YSZ, GDC және ScSZ электролиттерімен өзара әрекеттесуі, сондай-ақ анод тұғырлы микротүтікшелі конструкциялы қатты оксидті отын элементтерінің микрокұрылымы мен функционалдық қабаттарды қалыптастыру процестері қарастырылады. Зерттеу әдістері. 1. Катодтық және электролиттік материалдарды синтездеу лазерлік буландыру, полимер-тұзды композициялардың пиролизі, ерітінділерді жоғары температурада тұтастыру және сымның электрлік жарылысы әдістері арқылы жүзеге асырылды. 2. Материалдардың фазалық құрамы мен кристалдық құрылымын анықтау үшін рентгенофазалық талдау әдісі қолданылды. Ұнтақтардың морфологиясы мен дисперстілігі сканерлеуші және жарықтандырғыш электрондық микроскопия әдістерімен зерттелді. Меншікті беттік ауданы азоттың төмен температурадағы адсорбциясы (BET) әдісімен анықталды. 3. Термиялық қасиеттер дилатометрия әдісімен зерттеліп, пісіру кинетикасы мен термиялық ұлғаю коэффициенті анықталды. Материалдардың электрөткізгіштігі кең температуралық диапазонда өлшенді. 4. Катодтар мен микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерінің электрохимиялық сипаттамалары импеданстық спектроскопия және вольт-амперлік сипаттамаларды өлшеу әдістерімен анықталды. Қорғауға ұсынылатын негізгі тұжырымдар: 1. YSZ, ScSZ және GDC электролиттік материалдарының ұнтақтары кубтық құрылымды (Fm-3m) бірфазалы қатты ерітінділер болып табылатыны анықталды, ал LSCF катодтық материалдары ромбоэдрлік құрылымға (R-3c) ие және 1200°С-тан жоғары температурада күйдірілгеннен кейін жоғары біртекті фазамен сипатталады, бұл олардың тұрақтылығын және қатты оксидті отын элементтерінде қолдануға перспективтілігін дәлелдейді. 2. 650°С жоғары температурада ScSZ және GDC электролиттерінің өткізгіштігі YSZ қарағанда 2 – 2,7 есе жоғары екені анықталды, ал LSCF катодтық материалдары LSM салыстырғанда жоғары өткізгіштікке және айтарлықтай төмен поляризациялық кедергіге ие болып, олардың жоғары электрохимиялық белсенділігін көрсетеді. 3. Жоғары температура аймағында LSCF негізіндегі катод материалдарының поляризациялық кедергісі құрамындағы Co және Sr мөлшерінің азаюымен артатыны және бұл құбылыстың электрондық әрі иондық өткізгіштіктің төмендеуімен өзара байланыста екені анықталды. LSCF-4080 құрамы ең жоғары электрохимиялық сипаттамаларға ие екені көрсетілді, алайда оның термиялық ұлғаю коэффициентінің жоғары мәні микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерінде қалыптастыру кезінде механикалық кернеулердің пайда болуына және құрылымдық ақауларға әкелуі мүмкін. 4. Микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерінің электрохимиялық сипаттамаларын жақсарту үшін функционалдық анодтық қабат ретінде YSZ қарағанда үйлесімді қасиеттері жоғары GDC электролиті негізіндегі композитті қолданудың тиімді екені көрсетілді. Сонымен қатар жоғары температурада тұтастыруды жүзеге асыру үшін анодтың тасымалдаушы және функционалдық қабаттарының, сондай-ақ YSZ электролитінің шөгу кинетикасының өзара үйлесімді болуы қажет екені анықталды, бұл ақаусыз құрылым қалыптастырудың маңызды шарты болып табылады. Жұмыстың ғылыми жаңалығы. 1. Лантан-стронций ферро-кобальтиті (LSCF) негізіндегі катодтық материалдардың химиялық құрамының олардың құрылымдық, тасымалдау және электрохимиялық қасиеттеріне әсері кешенді түрде зерттелді. 2. LSCF катодтық материалдарының поляризациялық кедергісі мен өткізгіштігінің Co және Sr құрамына тәуелділік заңдылықтары анықталып, жоғары электрохимиялық белсенділікке ие оңтайлы құрамдар анықталды. 3. Катодтық материалдардың YSZ, GDC және ScSZ электролиттерімен химиялық өзара әрекеттесу ерекшеліктері зерттеліп, олардың үйлесімділік шарттары анықталды. 4. Тұғыры анод микротүтікшелі конструкциялы қатты оксидті отын элементтерін қалыптастырудың технологиялық тәсілдері әзірленді. Функционалдық қабаттардың микрокұрылымының микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерінің электрохимиялық сипаттамаларына әсері анықталып, олардың тиімділігін шектейтін факторлар айқындалды. Жұмыстың ғылыми және практикалық құндылығы. Жұмыстың ғылыми маңызы лантан-стронций ферро-кобальтиті (LSCF) негізіндегі катодтық материалдардың химиялық құрамы мен микрокұрылымының олардың электрохимиялық сипаттамаларына әсер ету заңдылықтарын анықтауда болып табылады. Алынған нәтижелер қатты оксидті отын элементтеріндегі оттегінің тасымалдануы мен тотықсыздану реакциясының кинетикасы туралы ғылыми түсініктерді кеңейтеді және катодтық материалдардың оңтайлы құрамдарын таңдауға мүмкіндік береді. Жұмыстың практикалық маңызы катодтық және электролиттік материалдарды синтездеудің, сондай-ақ анод тасымалдаушы конструкциялы микротүтікшелі қатты оксидті отын элементін қалыптастырудың технологиялық тәсілдерін әзірлеуде жатыр. Алынған нәтижелер жоғары электрохимиялық сипаттамаларға ие тиімді отын элементтерді жасауға және олардың өндіріс технологиясын жетілдіруге қолданылуы мүмкін. Ұсынылған материалдар мен технологиялық шешімдер сутегі энергетика саласында, атап айтқанда қатты оксидті отын элементі негізіндегі ықшам және тиімді энергия көздерін түрлендіргіш құрылғы әзірлеуде пайдаланылуы мүмкін. Автордың жеке үлесі. Диссертациялық жұмыста келтірілген нәтижелер автордың «Еуразиялық физика-энергетикалық зерттеулер және жоғары технологиялар» ҒЗИ және Ресей Ғылым академиясы Орал бөлімшесінің Электрофизика институтының (Екатеринбург қ.) қызметкерлерімен бірлескен зерттеулері аясында алынған және бірлескен жарияланымдарда көрініс тапқан. Автордың жеке үлесі зерттеу міндеттерін тұжырымдауға және эксперименттік бағдарламаны әзірлеуге қатысудан, катодтық және электролиттік материалдарды синтездеу мен зерттеу бойынша эксперименттік жұмыстар кешенін орындаудан, сондай-ақ микротүтікшелі қатты оксидті отын элементтерінің модельдік үлгілерін дайындаудан тұрады. Автор эксперименттерді жүргізуге, алынған нәтижелерді өңдеу мен талдауға тікелей қатысып, сондай-ақ ғылыми жарияланымдарды дайындау және зерттеу нәтижелерін ғылыми семинарлар мен конференцияларда ұсыну жұмыстарын жүзеге асырды. Диссертация нәтижелерінің сыннан (апробация) өтуі. Диссертациялық жұмыстың материалдары келесі республикалық және халықаралық конференцияларда ұсынылды және баяндалды: 1. Разработка высокоактивного катода для улучшения характеристик электрохимических устройств// «Білім беру жүйесіндегі замануи ғылым мен инновацияны дамыту: үрдістер мен перспективалар»: халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары. (Қызылорда, 17–18 сәуір 2023 ж.). – Қызылорда: Қызылорда ашық университеті «Болашақ» бөлімшесі. – Б. 274–278. 2. Энергия завтрашнего дня: изучение достижений в области катодных материалов для твердооксидных топливных элементов//«Заманауи ғылым: жаңа тәсілдер және қазіргі зерттеулер»: халықаралық ғылыми-тәжірибелік конференция материалдары. (Қызылорда, 18 сәуір 2024 ж.). – Қызылорда: Қызылорда «Болашақ» университеті. – Б. 662-668 3. Наноқұрылымды LSCF катодтарының синтезі және олардың қатты оксидті отын элементтеріндегі тиімділігін арттыру//«Ғылым мен білімдегі инновациялар: жаһандық перспективалар және жергілікті шешімдер»: халықаралық ғылыми-практикалық конференцияның материалдары. (Қызылорда, 10-11 сәуір 2025 ж.), – Қызылорда: Қызылорда «Болашақ» университеті. – Б. 267 – 272 4. Протон өткізгіш қатты оксидтік отын элементтерінің катодындағы реакциялардың кинетикасын зерттеу// Қызылорда «Болашақ» университетінің хабаршысы. – 2025. – №1 (29). – Б. 896-901 Жарияланымдар Диссертация тақырыбы бойынша барлығы 9 жұмыс жарияланған, оның 1-еуі Scopus дерекқорына енгізілген, импакт-факторы нөлден жоғары басылымдарда жарық көрген, ал 4 мақала Қазақстан Республикасы Ғылым және жоғары білім министрлігінің Білім және ғылым саласындағы бақылау комитеті (БҒСБК) ұсынған тізімге кіретін журналдарда жарияланған, 4 мақала – халықаралық конференциялардың материалдарында. Диссертацияның құрылымы мен көлемі. Диссертация кіріспеден, алты тараудан, қорытындыдан, пайдаланылған әдебиеттер тізімінен және қосымшалардан тұрады. Жұмыстың жалпы көлемі 156 бетті құрайды, оның ішінде 20 кесте және 86 сурет қамтылған. Кіріспе бөлімінде зерттеу тақырыбының өзектілігі айқындалып, қарастырылатын ғылыми мәселенің мазмұны мен оның қойылуы сипатталған. Сонымен қатар диссертациялық жұмыстың мақсаты мен міндеттері анықталып, алынған нәтижелердің ғылыми жаңалығы мен олардың практикалық маңызы негізделген. Қорғауға ұсынылатын негізгі тұжырымдар, автордың жеке үлесі, зерттеу нәтижелерінің апробациясы және диссертацияның құрылымы мен қысқаша мазмұны берілген. Диссертацияның бірінші бөлімі ҚООЭ арналған катодтық материалдарды зерттеуге бағытталған эксперименттік және теориялық жұмыстарға аналитикалық шолу жасауға, сондай-ақ легирлеудің олардың құрылымдық және электрохимиялық қасиеттеріне әсерін талдауға арналған. Диссертацияның екінші бөлімінде ҚООЭ электродтық және электролиттік компоненттерін қалыптастыруға арналған ұнтақ материалдарды синтездеу және кешенді аттестациялау әдістері келтірілген. Материалдарды алу тәсілдері, сондай-ақ олардың құрылымдық және морфологиялық сипаттамаларын зерттеу әдістері жан-жақты сипатталған. Диссертацияның үшінші бөлімінде ҚООЭ арналған электролиттік және электродтық материалдардың термиялық, электрлік және электрохимиялық қасиеттерін эксперименттік зерттеу нәтижелері келтірілген. Материалдардың пісіру кинетикасы және олардың көпқабатты ҚООЭ құрылымын қалыптастыру кезіндегі үйлесімділігін сипаттайтын термиялық ұлғаю коэффициенттерінің мәндері ұсынылған. Диссертацияның төртінші бөлімінде МТ-ҚООЭ қалыптастыруда қолданылатын материалдардың біріктіріп пісіру шарттарын зерттеу нәтижелері келтірілген. Электролиттік материалдар мен никель негізіндегі анодтық композиттердің әртүрлі электролиттермен құрамдарымен біріктіріп пісіру кинетикасына талдау жүргізілген. Диссертацияның бесінші бөлімінде функционалдық қабаттарды қалыптастырудың пленкалық және шликерлік технологияларын қолдана отырып, МТ-ҚООЭ дайындаудың технологиялық әдістерін әзірлеу нәтижелері келтірілген. Диссертацияның алтыншы бөлімінде МТ-ҚООЭ электрохимиялық сипаттамаларының зерттеу нәтижелері келтірілген. Вольт-амперлік және импеданстық тәуелділіктер талданып, электродтық материалдардың құрамы мен микрокұрылымының олардың жұмыс сипаттамаларына әсері зерттелген. Қорытынды бөлімде жүргізілген эксперименттік зерттеулер нәтижелері мен олардың талдауы негізінде тұжырымдалған негізгі қорытындылар келтірілген.
Зерттеулерді этикалық бағалау жөніндегі комиссияның қорытындысы
Диссертациялық кеңестің шешімі
Диссертация қорғауының бейнежазбасы: https://www.youtube.com/watch?v=UYP944I0ffY
