Поиск - новости науки и техники

Эффект сложения. Уральские электрохимики вывели формулу успеха.

В 2018 году Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН отмечает 60-летие. К круглой дате коллектив подошел с результатами, многие из которых сделали бы честь любому НИИ. Не случайно по итогам оценки деятельности академических учреждений ИВТЭ отнесен к первой категории.
Каждый успешный институт успешен по-своему, но все же есть абсолютно необходимые составляющие высоких достижений. У ИВТЭ их как минимум три. Прежде всего это единственное в стране академическое учреждение, где сосредоточены все теоретические, экспериментальные и прикладные исследования в области высокотемпературной физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов. Ра­зумный баланс между фундаментальными и прикладными разработками – еще одно условие успеха. Сегодня среди индустриальных партнеров уральских электрохимиков – такие гиганты отечественной промышленности, как “Газпром”, “Росатом”, “РУСАЛ”. И наконец, ИВТЭ, без преувеличения, молодежный институт. Благодаря тесному взаимодействию с Уральским федеральным университетом и четко работающей системе подготовки кадров его штат постоянно пополняется талантливыми исследователями. Большинство лабораторий сегодня возглавляют молодые ученые. А в сентябре 2017 года директором института стал 32-летний доктор химических наук Максим Ананьев, уже зарекомендовавший себя как известный специалист в области кинетики изотопного обмена и исследования протонпроводящих электролитов. 
Первые корифеи
Разумеется, нынешние успехи не случайны – у них глубокие корни. Институт электрохимии Уральского филиала Академии наук СССР был создан в декабре 1957 года, однако история электрохимических исследований на Урале насчитывает на три десятилетия больше. Одним из основателей уральской научной школы в этой области стал будущий член-корреспондент АН СССР и ректор Уральского госуниверситета Сергей Карпачев, который в 1930-е годы заведовал лабораторией электрохимии расплавленных солей Уральского физико-технического института. Тогда ее сотрудники занимались научным обоснованием развивавшихся на Урале высокотемпературных электрохимических технологий получения магния и алюминия, а также теоретическими проблемами электрохимии конденсированных сред. В годы Великой Отечественной войны они совершенствовали технологии производства алюминия и магния.
Организации Института электрохимии в 1957 году немало способствовал академик Александр Фрумкин, высоко ценивший достижения уральских ученых. Директором-организатором нового академического учреждения был назначен доктор химических наук Михаил Смирнов, определивший основные направления фундаментальных исследований, актуальные до сих пор: электрохимические технологии производства новых материалов, научные основы подготовки и переработки ядерного топлива и радиоактивных материалов, создание высокопроизводительных электрохимических источников тока.
Фундаментальные основы электрохимии расплавленных и твердых электролитов наряду с членом-корреспондентом Сергеем Карпачевым и доктором химических наук Михаилом Смирновым заложили академик Алексей Барабошкин, доктора наук Сергей Пальгуев, Леонид Ивановский, Николай Илющенко, Геннадий Степанов, Василий Чеботин, Михаил Перфильев и другие. 
В 1970-е годы благодаря активному формированию научных школ Институт электрохимии УНЦ АН СССР четко обозначил свою нишу в химических науках, а в 1988 году группа ведущих ученых института была удостоена Государственной премии СССР за цикл работ “Разработка основ физической химии и электрохимии расплавленных электролитов”. 
В 1990-е годы из-за разразившегося в стране экономического кризиса и резкого сокращения финансирования уральские электрохимики были вынуждены сосредоточиться на теоретических исследованиях, однако научный потенциал сохранить удалось. В 2000-е годы появилась возможность придать развитию института новый импульс. Возглавивший ИВТЭ в 2006 году доктор химических наук Юрий Зайков, ныне научный руководитель института, поставил задачу во что бы то ни стало сделать фундаментальный результат востребованным. Были заключены крупные хозяйственные договоры с Уральской горно-металлургической компанией, “Газпромом”, “Росатомом”, ОК “РУСАЛ” и другими компаниями. Взаимодействие с индустриальными партнерами принесло институту значительные внебюджетные средства, благодаря чему можно было решить другие важнейшие задачи: обновить приборную базу и привлечь молодежь. 
Новое старое топливо
Сегодня уральские электрохимики работают в направлениях, прорывных в самом буквальном смысле слова. Институт – участник масштабного проекта “Росатома” “Прорыв”, направленного на создание энергетических технологий нового поколения на базе замкнутого ядерного топливного цикла, в котором отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) перерабатывается для извлечения урана и плутония и повторного их использования в реакторе, а также для выделения других ценных элементов. Особенно сложный процесс – переработка высокоактивного топлива из реакторов на быстрых нейтронах. Промышленных реакторов на быстрых нейтронах в мире всего два, и находятся они в городе Заречный Свердловской области. Отработавшее в них топливо невозможно перерабатывать традиционными водными методами, потому что у него выше радиоактивность и тепловыделение. Сотрудники лаборатории радиохимии ИВТЭ создают технологию пирохимической переработки ОЯТ с использованием расплавленных солевых сред. Преимущества этого способа в том, что не образуются жидкие отходы, то есть он компактнее и безопаснее.
Блеск “крылатого” металла
Уральские электрохимики успешно сотрудничают с ОК “РУСАЛ” – крупнейшим в мире производителем алюминия. На опытном электролизном участке в институте проводятся испытания новых экологически чистых одностадийных технологий получения алюминиевых сплавов – самых востребованных продуктов на рынке потребления “крылатого” металла. Такие экономно-легированные сплавы – уникальный продукт, их не производят нигде в мире. Новые технологии отрабатываются на экспериментальных установках индустриального партнера института АO “РУСАЛ Красноярский алюминиевый завод”.
Еще одно ноу-хау ученых ИВТЭ – создание металлических композитов на основе алюминиевой матрицы, упрочненной графеном. Такие композиты отличаются коррозионной стойкостью, повышенной твердостью и эластичностью, теплопроводностью и электропроводностью, а при хранении на воздухе в течение полутора-двух лет сохраняют характерный металлический блеск. Алюминий-графеновые композиты очень перспективны в качестве конструкционного материала, они могут применяться в новых химических источниках тока, из них можно делать сверхтонкие электрические провода.
Достойная альтернатива
Разработка электрохимических генераторов на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) – альтернативы традиционным источникам питания – началась в институте еще в 1960-е годы. В конце 1980-х была создана и успешно прошла испытания первая установка прямого преобразования химической энергии в электрическую мощностью 1 кВт. Но тут грянул кризис, и работы остановились. Однако ученые ИВТЭ продолжали поиск электролитов с нужными свойствами, разрабатывали математические модели ТОТЭ и других электрохимических устройств. Работы возобновились в 2008 году, когда их стала финансировать топливная компания ТВЭЛ. Сейчас уральские электрохимики проводят испытания энергоустановок на площадке ООО “Газпром трансгаз Екатеринбург”. По техническому заданию “Газпрома” ученые создают электрохимические генераторы нового дизайна, предназначенные для электропитания станций катодной защиты магистральных газопроводов, в частности газопровода “Сила Сибири”. Достоинства энергоустановок на ТОТЭ – высокий КПД, простота и надежность конструкции, отсутствие вредных выбросов, а также возможность использования практически любого топлива.
Сегодня в ИВТЭ совместно с группой компаний “ИнЭнерджи” при поддержке Центра компетенций по технологиям новых и мобильных источников энергии Национальной технологической инициативы разрабатываются твердооксидные электрохимические устройства на протонных электролитах для различных приложений распределенной и водородной энергетики.
В кратком обзоре невозможно подробно рассказать обо всех инновационных разработках института и все же наиболее значимые не назвать нельзя. Так, созданная в ИВТЭ принципиально новая электрохимическая технология получения наноразмерных металлических порошков может применяться для производства практически всех металлов, в том числе ниобия и тантала. Изделия из тугоплавких металлов – молибдена, вольфрама, рения, иридия, – изготовленные по разработанной в ИВТЭ технологии, используются в новейших космических аппаратах, создаваемых в рамках проекта “Роскосмоса” “Зеленое топливо”.
Благодаря полученным в институте новым электродным материалам на основе кремния можно кардинально улучшить характеристики литий-ионного аккумулятора – самого популярного типа электрического аккумулятора, используемого в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, электромобилях. 
В Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском НИИ экспериментальной физики (г. Саров) на основе разработанной в ИВТЭ технологии организуется полномасштабное производство литий-борного композита – уникального анодного материала для мощных тепловых химических источников тока.
В сотрудничестве с Уральской горно-металлургической компанией и другими предприятиями цветной металлургии ученые института создали технологию и электролизер для рафинирования чернового свинца, позволяющие не только повысить степень чистоты получаемого металлического свинца, но и оптимально утилизировать свинецсодержащие техногенные образования и отходы.
Перечень этот можно продолжить с уверенностью, что впереди у коллектива Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН, где опора на традиции, мощную фундаментальную базу органично сочетаются с суперсовременными подходами к решению самых сложных проблем, новые прорывы и достижения. 
Елена ПОНИЗОВКИНА
Фотоснимки предоставлены ИВТЭ УрО РАН
На снимках:  директор Института высокотемпературной электрохимии Максим Ананьев (слева) и молодой научный сотрудник Андрей Фарленков в лаборатории; открытие совместного участка ИВТЭ и ОК “РУСАЛ” по исследованию электрохимических технологий получения сплавов легких металлов, справа – научный руководитель института Юрий Зайков. 

Нет комментариев