ИФХЭ РАН

Разработанная система наномодифицирования в обратномицеллярных средах позволяет под воздействием ускоренных электронов проводить обработку объектов – различного рода носителей, матриц и мелкодисперных сырьевых материалов, а также готовых изделий и деталей. В результате создаются композиционные поверхностные слои и оболочки (в частном случае – в поры и дефекты основы внедряются отдельные вкрапления). Эти слои представляют собой искусственно или естественно упорядоченные структуры, состоящие из смеси или комбинации двух или более составляющих элементов, которые за счет нанометрических характеристических размеров проявляют особые механические, химические, электрофизические, оптические, теплофизические и другие свойства.

Ускоритель электронов генерирует излучение в диапазоне доз от 5 до 50 кГр (при Т <70∙С). Трехмерная нанообработка объектов со сложной геометрией проходит в жидкой среде синхронно с молекулярной сборкой наночастиц «снизу вверх» в системе обратных мицелл («нанореакторах») под воздействием ионизирующего излучения.

Металлосодержащие наномодификаторы представляют собой наноструктуры металлов, их оксидов и биметаллов, со средним размером частиц ~2.5-10.0 нм. Эффективность Системы определяется, во-первых, высокими скоростями обработки модифицируемых в обратномицеллярном растворе объектов, при сохранении равномерности радиационного воздействия за счет управления профилем дозы в соответствии с предварительным расчетами; во-вторых, единовременным многофакторным воздействием на объекты in situ в результате сочетания действия ионизирующего излучения химически активной среды и образующихся в процессе синтеза в обратномицеллярном растворе металлсодержащих наночастиц.

«Основа успеха – всегда в соединении традиции и инновации. Возможности радиационной химии электронно-лучевой системой не исчерпываются. В многотоннажном современном производстве без электронов не обойтись», – сказал заведующий лабораторией радиационных технологий ИФХЭ РАН, доктор технических наук Юрий Сергеевич Павлов.

Комментарий Роспатента: «Разработанная технология дает возможность как обрабатывать изделия для создания поверхностей с нужными физико-химическими свойствами, так и создавать новые нанокомпозитные материалы, производить мелкодисперсные катализаторы и адсорбенты».

Микропористый углеродный сорбент на основе торфа с повышенной адсорбционной способностью по природному газу, метану, и способ его получения были разработаны в лаборатории сорбционных процессов ИФХЭ РАН по поручению и при содействии ПАО «Газпром».

Сорбент аккумулирует природный газ, метан, в микропорах. Такой способ значительно повышает безопасность хранения природного газа. Поскольку внутри микропор газ находится в связанном состоянии, при разгерметизации не происходит резкого выброса газа, и пожаро-взрыво-опасность системы значительно снижается. Хранение внутри адсорбента расширяет возможности по использованию природного газа, например, перспективным направлением является создание наземных газовых хранилищ. Большая плотность газа в микропорах достигается без использования компрессоров, поэтому такие хранилища не требуют сложного обслуживания и могут быть построены там, где удобно потребителю. Тем самым решается вопрос газификации отдаленных областей России. По своим адсорбционным характеристикам сорбент не уступает лучшим промышленным сорбентам на основе полимеров или кокосового ореха. Используемое сырье – торф – значительно дешевле других сырьевых источников, и запасы его в России очень велики. Технология поверхностного упрочнения ИФХЭ РАН позволяет создавать моноблоки сорбента, которые не разрушаются и не создают пыли.

«Для нас как для ученых было важно создать технологию, которая дальше пойдет в жизнь, – сказал заведующий лабораторией сорбционных процессов ИФХЭ РАН, доктор физико-математических наук Анатолий Алексеевич Фомкин. – Этот адсорбент обеспечивает оптимальный баланс между экономическими, техническими и адсорбционными характеристиками. Технология прекрасно масштабируема. Сорбент можно использовать как в автотранспорте, так и в передвижных или наземных хранилищах».

Комментарий Роспатента: «Низкая стоимость исходного сырья и относительно небольшие расходы на производство такого адсорбента, простота его получения делают изобретение уникальным решением проблемы безопасности нефтегазового комплекса».

Анод представляет собой скопление нановолокон германия, выращенных методом электрохимического осаждения на титановой подложке-токоотводе толщиной 50 мкм и размером 2 см х 3 см. Центрами кристаллизации служили наночастицы индия; именно они определяют нановолокнистую форму осадка. Германий по сравнению с традиционно используемыми для анодов литий-ионных аккумуляторов углеродными материалами может запасать больше лития на единицу объема. Образующиеся при этом сплавы германия с литием нестабильны, в них возникают внутренние напряжения и они постепенно разрушаются при циклировании (заряде-разряде аккумулятора). При использовании нановолокон германия диаметром 20−50 нм сил внутренних напряжений недостаточно для разрушения, поэтому такие объекты более стабильны. Рассчитанная теоретическая предельная емкость германиевого электрода составляет 1.62 Ач/г – в 4 с половиной раза больше, чем для углеродного материала. Полученные в ИФХЭ РАН германий-содержащие электроды показали удельную ёмкость около 1.3 Ач/г, т.е 80% от теоретически возможной. При экстремально низкой температуре (−50°С) и одночасовом режиме заряда-разряда обратимая емкость составляет около 500 мАч/г, что соответствует 30% от емкости, полученной при температуре +20°С. Углеродные электроды при таких температурах не работают вообще.

В настоящее время коммерческие литий-ионные аккумуляторы используются при температурах от 0 до +50°С. Иногда в качестве нижней температуры указывают −20°С, но при этом энергия аккумуляторов составляет не более 5% от энергии, отдаваемой при комнатной температуре, и аккумулятор быстро выходит из строя.

Комментарий Роспатента: «Представленная технология приближает то время, когда низкотемпературные литий-ионные батареи найдут широкое применение в устройствах, предназначенных для использования в условиях холодного климата».