С каждым годом в высокотехнологичных отраслях всё более активно используются композитные материалы, приходящие на смену традиционным. Благодаря сочетанию разнородных структурных составляющих, они позволяют настраивать их свойства с учётом конкретных условий эксплуатации.
Учёные 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 чёткой 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 метод, в основе которого лежит воздействие плазмы на различные исходные материалы. Электрический ток, проходя через газ, вызывает ионизацию молекул и атомов и создаёт 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, 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 1 400 градусов 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 ещё два образца: один - углерод с незначительными примесями оксида палладия чёрного 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, распределённых 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, распределёнными в частицах углерода. Плазмохимический синтез, использованный в этом исследовании, также открывает новые горизонты в производстве наноматериалов, сочетая высокую активность и стабильность, - рассказал, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией аналитических методов исследования вещества Института физики имени Л. В. Киренского Григорий Чурилов.
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 их может значительно повысить эффективность и стабильность электрохимических устройств.
