Направление: 011200 Физика
Профиль: Нейтронная и синхротронная физика 
Кафедра ядерно-физических методов исследования
Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. С.В. Григорьев
Рецензент: к.ф.-м.н., доц. Е.В. Москвин 

Исследование рабочих материалов твердооксидных топливных элементов методом спин-эхо малоуглового рассеяния
Павлов Константин Андреевич
Одним из важнейших направлений развития альтернативной энергетики является разработка и усовершенствование топливных элементов (fuel cells, ТЭ). Действие топливных элементов основано на превращении химической энергии в электрическую без задействования процессов горения, признанных малоэффективными в мире современных технологий. Благодаря новому принципу действия возможно создание устройств с коэффициентом полезного действия, достигающим 80%, а при создании гибридных установок с модулем сгорания отработанного топлива – и выше.
Рабочая температура производимых в настоящее время ТЭ составляет от 700 до 1000˚С, что вызвано созданием необходимых условий для протекания химической реакции. Требование достижения столь высоких температур не позволяет создавать компактные устройства малой, по сравнению с промышленными установками, мощности. Снижения рабочей температуры ТЭ можно добиться путём использования в электродах и электролитах элемента новых, либо модифицированных материалов, обладающих большими каталитическими или ионопроводящими свойствами.
В данной диссертации приведены результаты исследования пористой структуры нового класса материалов, предложенных для использования в качестве ионных проводников. Рассмотрен класс керамических материалов на основе молибдата висмута Bi13Mo5O34±δ. Наличие механизма проводимости ионов кислорода дало возможность предложить эти материалы для использования в качестве мембран твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), кислородных сенсоров, конверторов и сепараторов. В числе прочего, при применении в электрохимических устройствах проявляются также и каталитические свойства, что указывает на молибдаты висмута как на перспективные кислородные ионики и возможную альтернативу дорогостоящим материалам на основе замещенных диоксида циркония (yttria stabilized zirconia, YSZ) или церия (cerium gadolinium oxide, CGO).
Изготовление мембран для последующего использования в конструкции ТОТЭ ведётся путём спекания из поликристаллической керамической субстанции в температурном режиме, близком к плавлению. Такой метод приводит к тому, что межзёренное пространство кристаллического порошка остаётся в полученном брикете в виде полостей. Наличие и структура закрытых пор в функциональных керамических материалах существенно влияет на такие их физические свойства, как прочность, плотность и проводимость. Таким образом, в задачи исследования входило определение формы, размеров и взаимного расположения пор в материалах на основе молибдата висмута.
Выбор экспериментальной методики обусловлен спецификой задачи и характерными размерами исследуемых неоднородностей. По данным микроскопии было установлено, что поры в материале имеют размеры порядка нескольких микрон. Инструментом, подходящим для исследования неоднородностей подобного масштаба внутри керамики, является метод спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов (СЭМУРН). По характерным длинам измеряемых величин методика СЭМУРН покрывает диапазон от 20 нм до 20 мкм. Метод чувствителен к формам и структуре расположения неоднородностей. Кроме того, как и любая нейтронная техника, СЭМУРН является неразрушающим методом исследования, что позволяет наблюдать внутреннее строение объёмных образцов.
В работе показано, что для исследования плотной электротехнической керамики применим метод спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов, являющийся одной из новейших методик в мире нейтронных исследований и мощным инструментом для экспериментов в области физики конденсированного состояния вещества на микро- и наномасштабах. Получены достоверные данные о размере и взаимном расположении пор в серии образцов новых материалов для создания топливных элементов. Показана зависимость размера пор от режима синтеза материала. Полученные экспериментальные данные позволят оптимизировать процесс получения плотной электротехнической керамики.
Основные результаты по теме диссертации изложены в 6 печатных изданиях, 1 из которых изданы в журнале, рекомендованном ВАК, 5 – в тезисах докладов.

Список публикаций:
1. «Исследование закрытой пористости функциональных керамических материалов методом спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов» , К.А. Павлов, Е.В. Величко, В.Н. Забенкин, В. Краан, К. Дауф, В. Бауман, З.А. Михайловская, Е.С. Буянова, С.В. Григорьев, - “Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования”, 2014 (в печати).