Красноярские ученые разработали 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

В высокотехнологичных отраслях композитные материалы, состоящие из нескольких компонентов, приходят на смену традиционным материалам. Композиты благодаря сочетанию разнородных структурных составляющих позволяют настраивать их свойства с учетом конкретных условий эксплуатации.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН 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. Плазма разбивает вещества на атомы. Затем атомы пересобираются в новые соединения, например, наночастицы. Специалисты 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.

Исследователи использовали графитовые стержни в качестве электродов. Порошок палладия смешивали с порошком графита, помещали в графитовые 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 они 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, 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. Наше исследование направлено на развитие методов получения порошковых нанокомпозитных материалов в плазме низкочастотного дугового разряда на основе углерода, палладия и его оксидов, способных ускорять электрохимические реакции. Подобранные параметры плазмы дугового разряда позволили синтезировать композитный наноматериал, представляющий собой порошок с частицами палладия, распределенными в частицах углерода. Плазмохимический синтез, использованный в этом исследовании, также открывает новые горизонты в производстве наноматериалов, сочетая высокую активность и стабильность. 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 Григорий Чурилов, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией аналитических методов исследования вещества Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН.