Развитие современной экологически чистой энергетики требует принципиально новых решений для создания электродов, способных эффективно работать в агрессивных средах. Ученые предложили использовать композит, состоящий из керамики и 10% кобальта. Работа опубликована в журнале International Journal of Hydrogen Energy.
Российские ученые создали уникальный композит для водородной энергетики
Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) совместно с коллегами из Сахалинского государственного университета разработали инновационный материал на основе карбида хрома и кобальта. Ученые применили метод искрового плазменного спекания, создав основу для долговечных элементов и активных электродов водородных систем.
Вид спекания, при котором используются как температура, так и давление. Википедия
Метод искрового плазменного спекания. Суть технологии искрового плазменного спекания заключается в пропускании мощных электрических импульсов непосредственно через спрессованный порошок. В отличие от традиционного нагрева в печи, который длится часами, этот метод занимает считанные минуты. Высокая скорость процесса не дает зернам материала разрастись, сохраняя наноразмерную структуру. Именно это позволяет керамике оставаться одновременно и прочной и электрохимически активной.
На этой схеме показан принцип работы топливного элемента — устройства, которое электрохимическим путем преобразует химическую энергию топлива, например водорода, в электрическую. В этом процессе участвуют два электрода — анод и катод, разделенные мембраной или электролитом. Топливный элемент работает без сгорания, что делает его экологически чистым и эффективным источником энергии.
В процессе работы физики обнаружили, что ключевым фактором, определяющим будущие характеристики материала, является температура термической обработки. При воздействии в диапазоне от 1000 до 1200 градусов Цельсия структура порошка преобразуется в монолит, но конечные свойства этого монолита различаются в зависимости от выбранного режима. Это позволяет инженерам буквально проектировать функционал детали еще на этапе производства, выбирая между экстремальной механической прочностью и высокой химической активностью.
Управление свойствами материала
Наноразмерная смесь карбида и кобальта.
При повышении температуры спекания до максимума кобальт полностью заполняет пустоты между частицами карбида, формируя сверхплотную структуру. Такой материал обладает высокой твердостью, сопоставимой с броневой сталью, и коррозионной стойкостью.
Спекание смеси при разных температурах.
Напротив, при более низких температурах в структуре сохраняется микропористость, что резко увеличивает площадь активной поверхности. «Мы провели эксперимент, спекая образцы при разных температурах — от 1000 до 1200 градусов Цельсия. И тут открылась удивительная закономерность: меняя температуру, можно получать материал с кардинально разными свойствами», — пояснил соавтор работы Олег Шичалин. Благодаря этому открытию становится возможным создание градиентных покрытий, которые одновременно защищают корпус установки от разрушения и обеспечивают высокую скорость выделения водорода.
Источник: пресс-релиз ДВФУ