Своя методика

Interfax-Russia.ru — Российские ученые разработали новый экономичный метод синтеза сверхтвердого борида вольфрама. Полученное вещество можно использовать для отбора углекислого газа из промышленных выбросов и производства "голубого" водорода.

Фото с сайта ТПУ

Ученые Сколтеха и Томского политехнического университета (ТПУ) предложили эффективный и экономичный метод синтеза пентаборида вольфрама — соединения, превосходящего по своей твердости, термостойкости, низкой теплопроводности и ряду других механических свойств все известные сегодня материалы. Результаты исследования опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.

"Высший борид вольфрама обладает чрезвычайно высокой износостойкостью, и мы пытались найти эффективный метод, позволяющий синтезировать этот материал в больших объемах. Мы не только потратили на эту работу много времени и сил, но и столкнулись с немалыми трудностями при определении отдельных фаз вещества в синтезированных образцах. Большой подмогой для нас стали вычислительные методы, используя которые, мы смогли досконально исследовать условия синтеза и структуру полученного материала. В результате нам удалось получить двухфазный образец, содержащий соединения WB2 и WB5-x", — рассказал старший преподаватель проектного центра по энергопереходу и ESG Сколтеха Александр Квашнин.

Кристаллические фазы боридов вольфрама синтезировали уже ученые Томского политеха. Для этого они применили безвакуумный электродуговой метод на плазменном реакторе, разработанный в университете.

"Особенности этого метода — простота конструкции и используемой методики, отсутствие необходимости использования высокотехнологичных дорогостоящих узлов и деталей. По нашим оценкам, эта методика позволяет экономить до 90% электрической энергии при работе в сравнении с прямыми аналогами, по крайней мере на уровне лабораторных объемов синтеза", — пояснил научный сотрудник Научно-исследовательского центра "Экоэнергетика 4.0" ТПУ Александр Пак.

Вместе с тем, как сообщила пресс-служба университета, в ходе исследования специалисты также использовали экспериментальную систему, основу которой составляют графитовый анод (стержень) и графитовый катод в форме тигля.

"Исходную смесь вольфрама и бора уплотняли и помещали на дно катода. Между анодом и катодом поджигали электродуговой разряд в открытой воздушной среде. При этом кислород воздуха окислял углерод, образуя автономную газовую среду в полости тигля; температура за счет горения дуги поднималась, и происходил синтез различных фаз боридов вольфрама — в зависимости от соотношения исходных компонентов и режимов плазменной обработки", — пояснили в вузе.

Таким образом ученым удалось обойтись без вакуумного оборудования при том, что все известные до сих пор методы синтеза борида вольфрама требовали использования вакуума или инертной атмосферы и высокого давления, что в свою очередь вело к увеличению производственных затрат, а также ограничивало возможности по масштабированию технологии и организации производства.

"Мы дополнительно доработали наш метод таким образом, чтобы производить тонкую настройку параметров эксперимента для контроля состава материала, что позволило добиться увеличения содержания WB5−x (высший борид вольфрама – ИФ) в образце до 61,5% по объему", — добавил Квашнин.

В перспективе разработанный безвакуумный метод позволит создать недорогую и контролируемую технологию синтеза сверхтвердого борида вольфрама WB5−x с высокими механическими свойствами и в больших объемах, который можно будет широко применять в промышленности. Вместе с тем, по мнению ученых, синтезированный борид вольфрама также можно использовать для отбора углекислого газа из промышленных выбросов и производства "голубого" водорода. Основное преимущества WB5−x как катализатора — возможность его повторного использования в экспериментальной системе.

Ранее ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Германии, Нидерландов и Китая разработали технологию получения сверхпрочного нанокомпозита для гибкой электроники. Специалисты взяли графен (является наиболее прочным и легким электропроводящим соединением углерода) и модифицировали его солями диазония. Затем получившуюся суспензию тонким слоем нанесли на подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТ) и подвергли лазерному облучению.

"Принципиальная особенность технологии — возможность управлять свойствами композита при контроле параметров лазерной обработки. При облучении происходит частичное "выжигание" из графена солей диазония, благодаря чему материал становится электропроводящим", — уточнила ассистент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Анна Липовка.

Чем больше групп солей диазония удалено таким образом, тем выше электрическая проводимость.

"А регулируя мощность лазера, длину волны, скорость перемещения, мы можем изменять электрическую проводимость материала. Это позволяет использовать один и тот же материал в разных устройствах и создавать целую линейку различных датчиков на основе одной технологии", — сказала исследователь.

По данным вуза, в настоящее время ученые исследуют возможность использования лазерного облучения для получения сверхпрочных электропроводящих композитов на основе стеклянных подложек. Эта разработка может быть актуальна для оптоэлектроники и сенсорики.

Результаты исследования специалистов научной группы TERS-Team ТПУ под руководством профессоров Евгении Шеремет и Рауля Родригеса и их зарубежных коллег опубликованы в журнале Carbon.

Вместе с тем, исследователи Томского политеха создали альтернативное топливо для малой энергетики. В частности, они предложили использовать древесные опилки в качестве экологически эффективной добавки для производства смесевых угольных пеллет. Такое топливо дешевле и экологичнее аналогов.

"В процессе сжигания угля происходит существенное выделение в атмосферу антропогенных газов — оксидов серы, азота, диоксидов углерода. Мы провели множество экспериментальных исследований и доказали, что за счет физико-химических взаимодействий при совместном термическом разложении угля и древесных отходов существенно и не аддитивно снижаются выбросы оксидов серы (до 90%) в зависимости от концентрации последней в смеси", — рассказал руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Станислав Янковский.

Он уточнил, что связывание оксидов серы осуществляется более интенсивно в диапазоне температур от 600 °С до 800 °С.

"В процессе термического разложения древесины происходит выделение влаги, содержащейся в древесине в виде парогазовой смеси. Пары серной кислоты, выделившейся при термическом разложении угля, реагируют с парами влаги и оксидами металлов, содержащимися в минеральной части углей и древесины, и при высоких температурах формируют сульфаты алюминия и кальция. Сера, связанная в сульфаты, оседает в зольном остатке и не выделяется в виде оксидов в атмосферу", — добавил Янковский.

Опытным путем ученые выяснили, что оптимальная концентрация древесной компоненты в таком топливе составляет 25 %. При этом выбросы серы снижаются на 60%, а калорийность таких смесевых топлив снижается менее чем на 6%.

Производство смесевых топливных пеллет на основе углей различных марок и отходов лесопиления позволит обеспечить доступным топливом российские регионы, где нет собственной угледобычи, но присутствуют непрерывная лесозаготовка и залежи древесных отходов.