В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Бакалбаевой Гулшат Аккуловны на тему «Разработка высокоактивного катода для использования в ТОТЭ» по образовательной программе «8D05305 – Ядерная физика».
Диссертация выполнена на кафедре «Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - казахский
Официальные рецензенты:
Алмасов Нурлан Жумабекович – доктор философии (PhD), главный научный сотрудник Astana IT University (г. Астана, Республика Казахстан).
Танашева Назгуль Кадыралиевна – доктор философии (PhD), профессор кафедры инженерной теплофизики имени профессора Ж. С. Акылбаева физико-технического факультета, руководитель Научно-исследовательского центра «Альтернативная энергетика» Карагандинского национального исследовательского университета имени академика Е. А. Букетова (г. Караганда, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Таурбеков Азамат Таттибекович – доктор философии (PhD), ведущий научный сотрудник Института проблем горения (г. Алматы, Республика Казахстан).
Маматкулов Кахрамон Зиядуллаевич – кандидат физико-математических наук, начальник группы в секторе Рамановской спектроскопии Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна, Российская Федерация).
Жунусбеков Амангельды Магмурович – кандидат физико-математических наук, ассоциированный профессор кафедры технической физики Евразийского национального университета имени Л. Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан).
Научные консультанты:
Бекмырза Кенжебатыр Жағыпарұлы – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор кафедры технической физики Евразийского национального университета имени Л. Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан).
Кабдрахимова Гаухар Даниловна – доктор философии (PhD), ассоциированный профессор кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий Евразийского национального университета имени Л. Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан).
Никонов Алексей Викторович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (г. Екатеринбург, Российская Федерация).
Защита состоится: 3 сентября 2026 года 12:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D053 – Физические и химические науки» по образовательной программе «8D05305 – Ядерная физика» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (онлайн и офлайн) формате.
Ссылка: https://clck.ru/3UrHY6
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, аудитория 310
Аннотация (рус.): Диссертационная работа направлена на исследование перспективных материалов для создания высокоактивных катодов для твердооксидных топливных элементов, а также на разработку технологических подходов к формированию их микроструктуры. Актуальность темы исследования. Современные тенденции развития мировой энергетики характеризу-ются переходом к низкоуглеродным и экологически безопасным техноло-гиям производства энергии. Ужесточение экологических требований и необходимость сокращения выбросов парниковых газов приводят к росту интереса к альтернативным энергоносителям и системам преобразования энергии с высокой эффективностью. В этом контексте водород рассматри-вается как один из наиболее перспективных энергоносителей благодаря разнообразию способов его получения, практически неограниченным сы-рьевым ресурсам и экологической безопасности при использовании. Одна-ко широкое внедрение водородной энергетики требует разработки эффек-тивных и надежных технологий преобразования его химической энергии в электрическую. Одним из наиболее эффективных устройств для решения данной за-дачи являются твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ). Такие устройства отличаются высокой эффективностью преобразования энергии, возможностью использования различных видов топлива и низким уровнем вредных выбросов. Эффективность работы ТОТЭ в значительной степени определяется свойствами используемых электродных материалов. Среди них особое значение имеет катод, поскольку именно на его поверхности протекает реакция восстановления кислорода. Кинетика данной реакции напрямую влияет на скорость электрохимических процессов и энергетиче-ские характеристики топливного элемента. В связи с этим разработка высокоактивных катодных материалов яв-ляется одним из ключевых научных направлений в области ТОТЭ. Катод-ные материалы должны обладать высокой электронной и ионной прово-димостью, химической и термической стабильностью при высоких темпе-ратурах, совместимостью с электролитом и высокой каталитической ак-тивностью в реакции восстановления кислорода. В настоящее время широ-ко используются оксидные материалы с перовскитной структурой, такие как (La,Sr)MnO₃, (La,Sr)CoO₃ и Ba₀.₅Sr₀.₅Co₀.₈Fe₀.₂O₃−δ. Однако их приме-нение ограничено рядом проблем, включая термическую несовместимость с электролитом, склонность к структурной деградации и высокую стои-мость некоторых компонентов. Одним из эффективных способов улучшения свойств катодных мате-риалов является легирование их кристаллической решетки различными катионами. Введение легирующих элементов позволяет регулировать кон-центрацию кислородных вакансий, изменять параметры кристаллической структуры и влиять на электронную структуру материала. В результате улучшаются электрическая проводимость, скорость транспорта кислорода и кинетика реакции восстановления кислорода. Кроме того, легирование способствует согласованию коэффициента термического расширения элек-тродного материала со свойствами электролита и повышению его химиче-ской стабильности при высоких температурах. Еще одним важным фактором, ограничивающим практическое при-менение твердооксидных топливных элементов, является длительное время выхода на рабочий режим. Как правило, таким системам требуется не-сколько часов для достижения стабильного состояния. Результаты послед-них исследований показывают, что использование микротрубчатой кон-струкции позволяет существенно сократить время запуска топливных эле-ментов. Это связано с повышением устойчивости к термическому удару при уменьшении диаметра трубчатого элемента, что снижает вероятность механических повреждений при резких изменениях температуры. Кроме того, применение микротрубчатой конструкции позволяет по-высить объемную удельную мощность топливных элементов и улучшить их устойчивость к термоциклическим нагрузкам. В связи с этим разработ-ка эффективных технологических подходов к созданию микротрубчатых твердооксидных топливных элементов (МТ-ТОТЭ) с высокими удельными характеристиками является актуальной научно-технической задачей. Целью данной диссертационной работы является экспериментальное исследование синтеза катодных материалов на основе лантан-стронций ферро-кобальтита (LSCF), получение модельных образцов микротрубчатых твердооксидных топливных элементов анодно-несущей конструкции, а также изучение их структурных и электрохимических характеристик. Задачи исследования: Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: 1. Проведение аналитического обзора материалов, используемых в качестве катодов для твердооксидных топливных элементов, выбор перспективных составов для создания высокоактивных катодов и их экспериментальное исследование. 2. Синтез катодных материалов на основе лантан-стронций ферро-кобальтита (LSCF) различного химического состава, проведение комплексной аттестации полученных образцов, анализ дисперсности, морфологии и фазового состава порошков. Также исследование их термических свойств, кинетики спекания и коэффициента термического расширения. 3. Исследование химического взаимодействия катодных материалов с электролитами YSZ, GDC и ScSZ при высоких температурах. Определение их электропроводности и каталитической активности. Получение композитных катодов и оценка влияния их состава на электрохимические характеристики. 4. Совершенствование технологических подходов к формированию твердооксидных топливных элементов микротрубчатой конструкции, исследование характеристик модельных микротрубчатых твердооксидных топливных элементов анодно-несущей структуры. Объект исследования. Катодные материалы на основе лантан-стронций ферро-кобальтита различного химического состава La₁₋ₓSrₓCo₁₋ᵧFeᵧO₃₋δ (x = 0,2; 0,4; y = 0,2; 0,8), а также электролитные материалы на основе стабилизированного оксида циркония (YSZ), оксида церия (GDC) и скандий-стабилизированного оксида циркония (ScSZ). Предмет исследования. Структурные, физико-химические и электрохимические свойства катодных материалов на основе лантан-стронций ферро-кобальтита (LSCF), их взаимодействие с электролитами YSZ, GDC и ScSZ, а также процессы формирования микроструктуры и функциональных слоев твердооксидных топливных элементов анодно-несущей микротрубчатой конструкции. Методы исследования. 1. Синтез катодных и электролитных материалов осуществлялся ме-тодами лазерного испарения, пиролиза полимер-солевых композиций, вы-сокотемпературного спекания растворов и электрического взрыва прово-локи. 2. Для определения фазового состава и кристаллической структуры материалов применялся метод рентгенофазового анализа. Морфология и дисперсность порошков исследовались методами сканирующей и просве-чивающей электронной микроскопии. Удельная поверхность определялась методом низкотемпературной адсорбции азота (BET). 3. Термические свойства исследовались методом дилатометрии, при этом определялись кинетика спекания и коэффициент термического рас-ширения. Электропроводность материалов измерялась в широком темпе-ратурном диапазоне. 4. Электрохимические характеристики катодов и микротрубчатых твердооксидных топливных элементов определялись методами импедансной спектроскопии и измерения вольт-амперных характеристик. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Установлено, что порошки электролитных материалов YSZ, ScSZ и GDC представляют собой однофазные твердые растворы с кубической кристаллической структурой (Fm-3m), тогда как катодные материалы LSCF обладают ромбоэдрической структурой (R-3c) и после спекания при температуре выше 1200°С характеризуются высокой фазовой однородно-стью, что подтверждает их стабильность и перспективность применения в твердооксидных топливных элементах. 2. Установлено, что при температурах выше 650°С электропровод-ность электролитов ScSZ и GDC в 2–2,7 раза выше, чем у YSZ, тогда как катодные материалы LSCF по сравнению с LSM обладают более высокой проводимостью и значительно более низким поляризационным сопротив-лением, что свидетельствует об их высокой электрохимической активности. 3. Показано, что в области высоких температур поляризационное со-противление катодных материалов на основе LSCF увеличивается при снижении содержания Co и Sr, что связано с уменьшением электронной и ионной проводимости. Установлено, что состав LSCF-4080 обладает наилучшими электрохимическими характеристиками, однако высокое зна-чение коэффициента термического расширения может приводить к возник-новению механических напряжений и структурных дефектов при форми-ровании микротрубчатых твердооксидных топливных элементов. 4. Показано, что для улучшения электрохимических характеристик микротрубчатых твердооксидных топливных элементов эффективным является использование композита на основе электролита GDC в качестве функционального анодного слоя, обладающего более высокой совместимостью по сравнению с YSZ. Кроме того, установлено, что для реализации высокотемпературного спекания необходимо согласование кинетики усадки несущего и функционального слоев анода, а также электролита YSZ, что является важным условием формирования бездефектной структуры. Научная новизна. 1. Комплексно исследовано влияние химического состава катодных материалов на основе лантан-стронций ферро-кобальтита (LSCF) на их структурные, транспортные и электрохимические свойства. 2. Установлены закономерности зависимости поляризационного со-противления и электропроводности катодных материалов LSCF от содер-жания Co и Sr, определены оптимальные составы, обладающие высокой электрохимической активностью. 3. Исследованы особенности химического взаимодействия катодных материалов с электролитами YSZ, GDC и ScSZ, определены условия их совместимости. 4. Разработаны технологические подходы к формированию твердооксидных топливных элементов анодно-несущей микротрубчатой конструкции. Установлено влияние микроструктуры функциональных слоев на электрохимические характеристики микротрубчатых твердооксидных топливных элементов и выявлены факторы, ограничивающие их эффективность. Научная и практическая ценность работы. Научная значимость работы заключается в установлении закономер-ностей влияния химического состава и микроструктуры катодных матери-алов на основе лантан-стронций ферро-кобальтита (LSCF) на их электро-химические характеристики. Полученные результаты расширяют научные представления о процессах транспорта кислорода и кинетике реакции его восстановления в твердооксидных топливных элементах, а также позволя-ют обосновать выбор оптимальных составов катодных материалов. Практическая значимость работы заключается в разработке техноло-гических подходов к синтезу катодных и электролитных материалов, а также к формированию микротрубчатых твердооксидных топливных эле-ментов анодно-несущей конструкции. Полученные результаты могут быть использованы при создании высокоэффективных топливных элементов с улучшенными электрохимическими характеристиками и совершенствова-нии технологий их производства. Предложенные материалы и технологические решения могут быть применены в области водородной энергетики, в частности при разработке компактных и эффективных устройств преобразования энергии на основе твердооксидных топливных элементов. Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертационной работе, получены в рамках совместных исследований автора с сотрудниками НИИ «Евразий-ский физико-энергетический научно-исследовательский институт высоких технологий» и Института электрофизики Уральского отделения Россий-ской академии наук (г. Екатеринбург) и отражены в совместных публика-циях. Личный вклад автора заключается в участии в формулировке задач исследования и разработке экспериментальной программы, выполнении комплекса экспериментальных работ по синтезу и исследованию катодных и электролитных материалов, а также в изготовлении модельных образцов микротрубчатых твердооксидных топливных элементов. Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментов, об-работке и анализе полученных результатов, а также в подготовке научных публикаций и представлении результатов исследования на научных семи-нарах и конференциях. Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены и доложены на следующих республиканских и международных конференциях: Разработка высокоактивного катода для улучшения характеристик электрохимических устройств // Материалы международной научно-практической конференции «Развитие современной науки и инноваций в системе образования: тенденции и перспективы» (Кызылорда, 17–18 апреля 2023 г.). – Кызылорда: подразделение Кызылординского открытого университета «Болашак». – С. 274–278. Энергия завтрашнего дня: исследование достижений в области катодных материалов для твердооксидных топливных элементов // Материалы международной научно-практической конференции «Современная наука: новые подходы и актуальные исследования» (Кызылорда, 18 апреля 2024 г.). – Кызылорда: университет «Болашак». – С. 662–668. Синтез наноструктурированных катодов на основе LSCF и повышение их эффективности в твердооксидных топливных элементах // Материалы международной научно-практической конференции «Инновации в науке и образовании: глобальные перспективы и локальные решения» (Кызылорда, 10–11 апреля 2025 г.). – Кызылорда: университет «Болашак». – С. 267–272. Исследование кинетики реакций в катоде протон-проводящих твердооксидных топливных элементов // Вестник Кызылординского университета «Болашак». – 2025. – №1 (29). – С. 896–901. Публикации По теме диссертации опубликовано всего 9 научных работ, из которых 1 статья опубликована в издании, индексируемом в базе данных Scopus и имеющем ненулевой импакт-фактор, 4 статьи – в журналах, входящих в перечень, рекомендованный Комитетом по контролю в сфере образования и науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан, и 4 статьи – в материалах международных конференций. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 156 страниц, включая 20 таблиц и 86 рисунков. Во введении обоснована актуальность темы исследования, раскрыто содержание рассматриваемой научной проблемы и сформулирована по-становка задачи. Также определены цель и задачи диссертационной рабо-ты, обоснована научная новизна полученных результатов и их практиче-ская значимость. Представлены основные положения, выносимые на защи-ту, личный вклад автора, апробация результатов исследования, а также структура и краткое содержание диссертации. В первой главе диссертации представлен аналитический обзор экс-периментальных и теоретических работ, посвящённых исследованию ка-тодных материалов для твердооксидных топливных элементов, а также проведён анализ влияния легирования на их структурные и электрохими-ческие свойства. Во второй главе приведены методы синтеза и комплексной аттеста-ции порошковых материалов, предназначенных для формирования элек-тродных и электролитных компонентов ТОТЭ. Подробно описаны спосо-бы получения материалов, а также методы исследования их структурных и морфологических характеристик. В третьей главе представлены результаты экспериментального ис-следования термических, электрических и электрохимических свойств электролитных и электродных материалов для ТОТЭ. Приведены данные по кинетике спекания материалов и значения коэффициентов термического расширения, характеризующие их совместимость при формировании мно-гослойной структуры ТОТЭ. В четвёртой главе приведены результаты исследования условий совместного спекания материалов, используемых при формировании мик-ротрубчатых ТОТЭ. Проведён анализ кинетики совместного спекания электролитных материалов и анодных композитов на основе никеля с раз-личными электролитами. В пятой главе представлены результаты разработки технологиче-ских методов получения микротрубчатых ТОТЭ с использованием плё-ночных и шликерных технологий формирования функциональных слоёв. В шестой главе приведены результаты исследования электрохими-ческих характеристик микротрубчатых ТОТЭ. Проанализированы вольт-амперные и импедансные зависимости, изучено влияние состава и микро-структуры электродных материалов на их рабочие характеристики. В заключении приведены основные выводы, сформулированные на основе результатов проведённых экспериментальных исследований и их анализа.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=UYP944I0ffY
