Ученые из Красноярска создали композитные материалы на основе углерода и палладия с усовершенствованными электрохимическими характеристиками. Журнале технической физики.
Наноустройства на основе палладия и углерода.
В высокотехнологичных областях всё чаще применяют композитные материалы, состоящие из разных компонентов, которые заменяют привычные материалы.
В Красноярском научном центре СО РАН учёные выбрали параметры для синтеза новых наноразмерных композитов из углерода и палладия.
Полученные нанокомпозиты имеют повышенную электрохимическую активность, что может заметно ускорить и повысить эффективность процессов в электрохимических устройствах.
Материалы на основе углерода обладают потенциалом широкого применения благодаря физическим свойствам, таким как высокая электропроводность. Графит используется как носитель веществ, ускоряющих электрохимические реакции, а также в датчиках и энергетических устройствах. Палладий важен для промышленных применений благодаря структуре, механической и термической стабильности. Наночастицы палладия демонстрируют высокую каталитическую активность и термостойкость, что позволяет многократно использовать их в различных процессах.
Специалисты для синтеза новых материалов применяют плазмохимический метод. В основе этого метода лежит воздействие плазмы на исходные вещества. Электрический ток, проходящий через газ, вызывает ионизацию молекул и атомов, образуя плазму. Плазма разлагает вещества на атомы, которые затем соединяются в новые структуры, например, наночастицы. Специалисты управляют образованием плазмы, регулируя напряжение тока, состав газов, материал электродов и скорость подачи газа. При правильной настройке параметров получается возможность создавать высококачественные и специфические материалы.
В эксперименте графитовые стержни применялись в качестве электродов. Смесь из палладиального и графитного порошков помещалась внутрь стержней. В процессе плазменного синтеза при температуре свыше 1400°C и давлении 130 килопаскалей (чуть выше атмосферного) распылялся материал, что привело к образованию углеродного порошка с нанодисперсным палладием.
Нагрев порошка в кислороде привел к образованию двух новых составов: черного углерода с небольшим количеством оксида палладия и светло-серого губчатого материала с высоким содержанием палладия и его оксидов. В результате исследователи получили три наноматериала, где концентрация частиц палладия в углероде различалась. Из графитового углерода образовались фуллерены – структуры из атомов углерода, напоминающие по форме футбольный мяч. Размер частиц палладия во всех образцах варьировался от 4 до 20 нанометров.
Исследователи оценили свойства каждого из полученных образцов, которые ощутимо различались. Первополученный углеродный порошок и образец с оксидами палладия, выйдящий из него, проявляют значительно лучшую электрохимическую активность, чем другой образец. Это означает, что образцы способны быстрее и эффективнее проводить реакции окисления или восстановления химических веществ, требуя меньше энергии и обеспечивая высокую производительность.
Григорий Чурилов руководит лабораторией аналитических методов исследования веществ в Институте физики имени Л.В. Киренского СО РАН.
Специалисты считают, что активность образцов зависит от их состава. Высокая активность связана с углеродом в виде фуллерена в одном случае, а высокой концентрацией палладия и его оксидов — в другом. Таким образом, материалы на основе палладия и углерода могут быть применимы для электродных материалов, повышая эффективность работы электрохимических устройств. Например, они смогут быстрее, эффективнее и с меньшими затратами проводить реакции в топливных элементах и аккумуляторах. Это важно потому что производительность и срок службы устройства зависят от эффективности реакции.
Композитные материалы создают для реализации преимуществ каждого компонента и уменьшения его недостатков. . Исследование посвящено разработке методов получения порошковых нанокомпозитных материалов в плазме низкочастотного дугового разряда из углерода, палладия и его оксидов, способных ускорять электрохимические реакции. Оптимизированные параметры плазмы дугового разряда позволили синтезировать композитный наноматериал в виде порошка с частицами палладия, распределёнными внутри частиц углерода. В этом исследовании использован плазмохимический синтез, открывающий новые возможности для производства наноматериалов с высокой активностью и стабильностью. Полученные результаты могут стать важным этапом в разработке новых материалов для электродов, более эффективных систем хранения и преобразования энергии, а также других технологий, где важна высокая электрохимическая активность. Такие материалы могут широко применяться в электрохимических устройствах и сфере энергетики. », — рассказал Григорий ЧуриловДоктор технических наук, профессор, руководитель лаборатории аналитических методов исследования вещества Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН.
Информация и фотографии предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук».