Дорогие читатели, предлагаем вашему вниманию интервью с выдающимся ученым с мировым именем, специалистом в области каталитической химии, доктором химических наук, профессором НГУ Владиславом Александровичем Садыковым, которому в этом году исполнилось 75 лет.
Он автор более 450 научных работ, а также имеет более 40 авторских свидетельств и патентов (российских и зарубежных).
С 1977 года преподает в НГУ. Разработал методические пособия для лабораторных занятий, контрольные задания по термодинамике, подготовлены и изданы учебные пособия к курсу лекций по физической химии.
Под его руководством защищено 8 кандидатских и 2 докторских диссертации.
Участник более 100 российских и международных конференций, симпозиумов по гетерогенному катализу, международных и европейских конгрессов по катализу, пользуется заслуженным авторитетом научного сообщества.
Имеет множество наград, в числе которых Премия правительства РФ, премия им. А. А. Баландина и две премии им. В. А. Коптюга.
– Владислав Александрович, расскажите, пожалуйста, над чем вы сейчас работаете?
– В настоящее время мы продолжаем работу по проекту Российского научного фонда (РНФ № 23-73-00045) с названием «Разработка структурированных катализаторов трансформации биотоплив в синтез-газ, мембран для селективного выделения кислорода или водорода и твердооксидных топливных элементов с применением радиационно-термического спекания нанесенных функциональных слоев».
– Сразу название вызывает у непосвященного человека массу вопросов. Вы разрабатываете катализаторы для биотоплив?
– Да, мы делаем катализаторы для биотоплив, топливные элементы и, соответственно, мембраны для выделения кислорода или водорода.
Вообще это все проходит в рамках конкурса 2023 года «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня». Мы используем комплекс уникальных научных установок и центров коллективного пользования ИЯФ СО РАН. Исследования и разработки проводятся с использованием пучков заряженных и нейтральных частиц, высокотемпературной плазмы, синхротронного и терагерцового излучения.
Для получения прочной газоплотной керамики, применяемой в энергетике, помимо традиционного спекания в печи, используются такие современные методы спекания, как микроволновое, лазерное, горячее прессование и т. д. Основной проблемой изготовления такой керамики является необходимость длительного спекания при высокой температуре. Альтернативным методом является радиационно-термическое спекание, позволяющее существенно сократить температуру и время обработки по причине особенностей взаимодействия электронных пучков и твердых материалов, таких как диссипация энергии и эффект радиационно-стимулированной диффузии.
В результате взаимодействия электронов пучка с атомом происходит передача энергии от 10 эВ до 1 МэВ, позволяющая выбивать атом из узла кристаллической решетки с ее разупорядочением. Благодаря этому эффекту скорость спекания увеличивается при более низкой температуре, чем при термическом или микроволновом нагреве. Электроны пучка проникают в объем любого вещества и тепловыделение идет изнутри, поэтому нагрев происходит в объеме образца, что уменьшает градиенты температур и приводит к исчезновению остаточных механических напряжений, способствующих образованию трещин. Другим неоспоримым преимуществом радиационно-термического спекания является высокая воспроизводимость метода.
– Так, катализаторы, топливные элементы – это все понятно. А при чем здесь керамика… газоплотная керамика?
– Она образуется в процессе спекания.
Использование спекания электронными пучками материалов для структурированных катализаторов конверсии биотоплив, твердооксидных топливных элементов и мембран с селективной проницаемостью, а также интегрированных устройств (ТОТЭ с генератором синтез-газа, каталитические мембранные реакторы) представляет отдельный интерес.
Самый главный момент – она состоит из многих слоев разного состава, которые надо наносить последовательно и спекать. Какие-то слои должны быть плотные, какие-то из них–пористые.
– Почему эти слои должны быть разные?
– У каталитических слоев должна быть достаточно большая поверхность, поэтому они должны быть пористыми. Электролиты топливных элементов должны быть плотными, потому что с одной стороны подается кислород, с другой – топливо, водород. Они не должны просачиваться друг к другу.
Но поскольку возможности таких установок ограничены, их еще не применяют в промышленности.
– Топливные элементы – это же новая энергетика, насколько я понимаю?
– Это перспективно для водородной энергетики. Топливные элементы отличает высокая эффективность, если они работают стабильно. А чтобы они работали стабильно, мы должны мембраны для выделения кислорода и водорода использовать, ну и, соответственно, для того чтобы выделять водород из синтез-газа, сначала нужно получить синтез-газ. А он получается всякими процессами конверсии, селективным окислением, паровой углекислородной конверсией различных видов углеводородов.
На сегодняшний день практически не существует разработанных технологий нанесения функциональных керамических слоев с помощью нагрева электронными пучками, что является актуальной задачей современного материаловедения. При радиационно-термическом спекании с использованием электронных пучков энергозатраты на получение плотной керамики и нанесенных функциональных слоев уменьшаются в несколько раз по сравнению с традиционными методами спекания. И ещё очень важные качества радиационно-термической обработки – безинерционность и химическая стерильность нагрева – ведь электроны содержатся в любом веществе, и они не способны его загрязнить. Требуется только организовать отвод избытка электронов из обрабатываемого продукта. Тепло при обработке выделяется одновременно внутри зоны проникновения пучка, и если толщина обрабатываемого образца не будет превышать глубины проникновения пучка, нагрев будет происходить равномерно и термические напряжения будут минимальными.
– В чем заключается новизна проекта?
– Новизна настоящего проекта включает в себя разработку оптимальной технологии обработки электронными пучками различных материалов и их нанокомпозитов с варьированием среды и условий (скорости и длительности нагрева, температур обработки), а также использования уникального метода изучения их транспортных характеристик с использованием термопрограмированного обмена кислорода в проточном режиме с допированным кислородом диоксидом углерода.
Для сложных оксидных материалов со структурами перовскита, флюорита, Раддлсдена-Поппера и т. д. и их нанокомпозитов существуют несколько каналов диффузии кислорода, при этом быстрые каналы связаны с протяженными дефектами, межзеренными/межфазными границами, состав которых зависит от обмена катионами между фазами, и кооперативным механизмом миграции кислорода в оксидах со структурой Раддлсдена-Поппера, имеющих слои различного состава и структуры, что приводит к сложной зависимости подвижности кислорода от состава и условий термообработки.
Впервые полученные результаты по радиационно-термическому спеканию таких материалов, данные характеризации их структурных, морфологических, транспортных и каталитических свойств с использованием современных физико-химических методов исследования, а также испытанию таких устройств, позволили оптимизировать их состав, условия термообработки, обеспечивающие сохранение структуры и высокую подвижность кислорода, расширить круг их использования и значительно снизить затраты на их производство.
Были разработаны процедуры изготовления единичных топливных элементов, кислородпроводящих и водородпроводящих мембран, а также структурированных катализаторов конверсии топлив в синтез-газ с использованием радиационно-термического спекания слоев наноматериалов оптимизированного состава, обладающих необходимыми транспортными характеристиками и наносимых на подложки разного типа, включая пеноподложки из сплавов никеля, микроканальные пластины и фольгу из различных сплавов для сотовых катализаторов. Оптимизация составов функциональных материалов, методов их нанесения и спекания позволила получить топливные элементы, мембраны и структурированные катализаторы с характеристиками (удельной мощностью, кислородной и водородной проницаемостью и каталитической активностью, соответственно), отвечающими лучшим мировым стандартам, а также имеющими высокую стабильность в реальных рабочих условиях.
Результаты опубликованы в 10 статьях, 1 главе в коллективной монографии и представлены в 16 докладах на конференциях, включая приглашенные пленарные и ключевые лекции на международных конгрессах и конференциях.
Результаты выполнения проекта закладывают основы производства высокоэффективных и недорогих генераторов чистого водорода и синтез-газа, а также твердооксидных топливных элементов. Данные устройства имеют большое значение для локального энергоснабжения, в том числе на отдаленных месторождениях природного газа и нефти, что внесет вклад в экономический рост и социальное развитие Российской Федерации.
– А почему вы тогда именно с Ядерной физикой сотрудничаете, ведь ИТ тоже топливными элементами занимается?
– Почему, и с ними тоже сотрудничаем, это нормальная практика в науке.
В данном случае коллектив, состоящий из сотрудников Института катализа и Института ядерной физики, имеет необходимый опыт работы по данному направлению, базирующийся на проведении совместных работ, в том числе в рамках сотрудничества по международным и российским проектам. Среди российских проектов очень эффективным сотрудничеством отличалась работа в рамках Лаборатории «Новые технологии синтеза функциональных наноструктурированных материалов» под моим руководством в 2014–2016 годах, созданной на базе Физического факультета НГУ, ИК СО РАН и ИЯФ СО РАН и включающей таких ведущих ученых-физиков, как Андрей Аржанников (декан Физического факультета), Николай Мезенцев (зам. директора ИЯФ) и Михаил Коробейников. Многолетнее успешное сотрудничество Института катализа и Института ядерной физики привело в конечном итоге к созданию уникального центра СКИФ, только что запущенного в работу.
– Владислав Александрович, желаем вам успехов! И надеемся, что руководство ваших институтов также ценит уникальные работы и сотрудников, которые их проводят.
Елена Михайлова
Фото из архива В. А. Садыкова
Обратная связь