Современная наука ищет способы сделать водородную энергетику доступной и надежной. Одна из главных задач — найти материалы для электродов, которые одновременно были бы химически активны, хорошо проводили реакцию и при этом не разрушались в агрессивной среде. Ученые предложили свое решение, взяв за основу композит из карбида хрома — прочного и стойкого керамического соединения — с добавлением 10% кобальта.
«Для создания нового материала команда применила метод искрового плазменного спекания. Представьте себе очень мелкий порошок, который спрессовывают под высоким давлением и одновременно пропускают через него мощные электрические импульсы. Из-за огромной температуры искры частицы порошка спекаются в монолитную массу, но процесс происходит настолько быстро, что структура материала остается мелкозернистой и однородной. 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», — рассказал к.х.н., научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.
Оптимальный диапазон находится в интервале 1150–1200 градусов. При такой обработке кобальт равномерно распределяется между частицами карбида хрома, заполняя все пустоты. В результате получается сверхплотный материал почти без пор с фантастической твердостью — около 1500 единиц по Виккерсу, что лишь немногим уступает твердости некоторых видов броневой стали, но при этом материал еще и устойчив к коррозии. Такой вариант становится идеальным кандидатом для деталей, которые должны работать в жестких условиях, не изнашиваясь годами.
«Самое интересное произошло с образцами, которые спекали при более низкой температуре около 1000 градусов. Их твердость была ниже, зато они проявили невероятно высокую электрохимическую активность. Благодаря остаточной микропористости и особенностям кристаллической решетки, такой материал имеет огромную площадь активной поверхности. Это значит, что на нем гораздо легче и быстрее протекают химические реакции, например, реакция выделения водорода, что делает его идеальным кандидатом для покрытий электродов, где главное — эффективность и скорость реакции», — отметил Олег Шичалин.
По словам ученых, полученные данные открывают широкий простор для инженерии. Для топливных элементов и электролизеров можно использовать материал, спеченный при 1000 градусах, в качестве активного покрытия на электродах, чтобы повысить их производительность. Для защиты корпусов приборов или деталей, работающих в морской воде и агрессивных средах, лучше подойдет версия, спеченная при 1200 градусах, обеспечивающая надежную антикоррозионную защиту и механическую прочность. Более того, ученые предполагают, что можно создавать градиентные материалы, где одна часть будет отвечать за высокую активность, а другая — за прочность.
«Мы фактически получили инструмент, позволяющий настраивать материал под конкретную задачу», — отмечают ученые.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования России, в том числе в рамках программы развития Инжинирингового центра ДВФУ «Материалы и технологии для Мирового океана и Арктики».
Результаты исследования опубликованы в авторитетном международном журнале International Journal of Hydrogen Energy.
Все это возможно благодаря постоянно развивающейся инфраструктуре кампуса ДВФУ. В 2024 году по отдельному поручению президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать новый комплекс общежитий на 4000 человек. По поручению президента в стране создается целая сеть современных кампусов. К 2030 году появится созвездие из 25 новых кампусов университетов. Работу по данному направлению ведет Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.
