Красноярские ученые создали композитные материалы на основе углерода и палладия с улучшенными электрохимическими свойствами. Новые материалы могут значительно повысить эффективность электрохимических процессов и открыть новые возможности для разработки высокопроизводительных материалов и технологий в области энергетики. Результаты исследования опубликованы в Журнале Технической Физики.
С каждым годом в высокотехнологичных отраслях все более активно используются композитные материалы, состоящие из нескольких компонентов, приходя на смену традиционным. Композиты, благодаря сочетанию разнородных структурных составляющих, позволяют настраивать свойства с учетом конкретных условий эксплуатации.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета подобрали параметры для синтеза и сделали новые наноразмерные композиты на основе углерода и палладия. Разработанные нанокомпозиты обладают улучшенной электрохимической активностью и могут значительно повысить эффективность и скорость процессов в электрохимических устройствах.
Композитные материалы на основе углерода имеют перспективы для широкого применения в различных областях благодаря своим физическим характеристикам, например, высокой электронной проводимости. В виде графита углерод широко используется в качестве носителя веществ, ускоряющих электрохимические реакции, а также в различных датчиках и других устройствах, связанных с энергетикой. В свою очередь, палладий является важным компонентом во многих промышленных приложениях благодаря своим уникальным свойствам: он обладает четкой структурой и высокой механической и термической стабильностью. Наночастицы палладия проявляют высокую каталитическую активность и термическую стойкость, что позволяет многократно использовать их в различных процессах.
Для синтеза новых материалов специалисты использовали плазмохимический синтез. В основе метода лежит воздействие плазмы на различные исходные материалы. Электрический ток, проходя через газ, вызывает ионизацию молекул и атомов и создает плазму, которая разбивает вещества на атомы. Затем атомы пересобираются в новые соединения, например, наночастицы. Исследователи контролируют образование плазмы при помощи напряжения тока, состава газов, материала электродов и скорости подачи газа. Если правильно подобрать эти параметры, то можно создать высококачественные и специфические материалы.
В качестве электродов ученые использовали графитовые стержни. Порошок палладия смешивали с порошком графита, помещали в эти стержни и в процессе плазменного синтеза распыляли при температуре более 1400 °C и давлении в 130 килопаскалей — немного больше атмосферного. В результате был получен углеродный порошок, содержащий палладий в нанодисперсном состоянии.
Интересно, что при нагреве в потоке кислорода этот порошок разделился на еще два образца: один — углерод с незначительными примесями оксида палладия черного цвета; другой — со значительным содержанием палладия и его оксидов, светло-серого цвета и губчатой структуры. В итоге специалисты получили три композитных наноматериала, представляющих собой порошки с разной концентрацией частиц палладия, распределенных в частицах углерода. При этом в первоначальном образце углерод из графита преобразовался в фуллерены — структуры, из атомов углерода напоминающие по своей форме футбольный мяч. Частицы палладия во всех образцах имели размер от 4 до 20 нанометров.
Исследователи оценили свойства каждого из полученных образцов, и эти свойства ощутимо различались. Оказалось, что первополученный углеродный порошок и вышедший из него образец с оксидами палладия проявляют значительно лучшую электрохимическую активность, чем другой образец. То есть, они способны быстрее и эффективнее проводить реакции окисления или восстановления химических веществ, требуя меньше энергии и обеспечивая высокую производительность.
Специалисты предположили, что сила электрохимической активности в образцах зависит от состава композита. Так, высокая электрохимическая активность обусловлена присутствием углерода в виде фуллерена, а в другом образце — высокой концентрацией металлического палладия и его оксидов. Таким образом, композитные наноматериалы на основе палладия и углерода могут быть успешно использованы для разработки электродных материалов и значительно повысить эффективность процессов в электрохимических устройствах. Например, эти композиты способны быстрее, эффективнее и с меньшими затратами проводить необходимые реакции в электрохимических устройствах, таких как топливные элементы и аккумуляторы. Это свойство важно, так как эффективность реакции напрямую влияет на производительность и долговечность устройства.
«Создание композитных материалов необходимо для того, чтобы использовать преимущества каждого типа материала и минимизировать их недостатки. Наши результаты могут стать важным шагом в разработке новых материалов для электродов, более эффективных и устойчивых систем хранения и преобразования энергии, и других технологий, где критически важны высокая электрохимическая активность. Подобные материалы могут найти широкое применение в электрохимических устройствах, а также в сфере энергетики. Использование таких материалов может значительно повысить эффективность и стабильность электрохимических устройств», — рассказал заведующий лабораторией аналитических методов исследования вещества Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН доктор технических наук, профессор Григорий Николаевич Чурилов.
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
Фото Анастасии Тамаровской
