Российские ученые повысили качество углеродного материала для электродов, подвергнув его воздействию воздушной плазмы. В результате улучшились характеристики электрода, а именно они ограничивают производительность высокотехнологичных источников тока — топливных элементов. Это перспективные устройства для эффективной и сравнительно экологичной выработки электроэнергии из горючего топлива. Кроме того, обработка более дешевой плазмой из обычного воздуха оказалась эффективнее, чем воздействие плазмы чистого кислорода или азота. Результаты исследования опубликованы в Journal of Electroanalytical Chemistry, сообщает пресс-служба Сколтеха.
Одно из возможных решений проблемы вредных выбросов при сжигании природного газа — использование топливных элементов. Эти устройства вырабатывают электроэнергию и тепло, окисляя топливо посредством химической реакции, отличной от горения. В результате производится больше полезной энергии, выделяется меньше парниковых газов и нет загрязнителей воздуха, которые создают смог и вдыхать которые вредно для здоровья.
Топливные элементы используют для выработки энергии на производстве и в частных домах, особенно в труднодоступных, неэлектрифицированных районах. Эта технология подходит для резервных источников питания и применяется на космических аппаратах, подводных лодках, складских погрузчиках для охлажденных помещений и более привычных видах транспорта: автомобилях, автобусах, поездах, катерах. Основные преимущества — эффективность, устойчивость и экологичность.
Основные трудности связаны с высокой температурой эксплуатации топливных элементов и поиском высокотехнологичных материалов для трех основных деталей — положительного и отрицательного электродов, а также слоя керамического электролита между ними, который обеспечивает химическую реакцию с выделением энергии.
«Аноды твердооксидных топливных элементов делают из разного рода углеродных материалов, от активности которых зависит протекание той реакции, которая обеспечивает генерацию электроэнергии. Мы стремимся повысить каталитическую активность, внедряя в углеродный электрод посторонние атомы, — прокомментировал исследование старший преподаватель Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин. — В данном случае мы внедряли атомы кислорода и азота в разных соотношениях в высокоориентированный пиролитический графит и еще один углеродный материал, подвергая их воздействию плазмы разного состава».
Обработка материала плазмой проводилась в камере, наполненной или чистым азотом, или чистым кислородом, или обычным воздухом. Если приложить электрическое напряжение, происходит так называемый пробой среды: молекулы газа распадаются на проводящие электрический ток ионы и электроны, то есть превращаются в плазму. Как выяснилось, воздушная плазма оказывает наилучшее воздействие на материал электрода, что удобно, поскольку манипуляции с чистыми газами — более дорогой процесс.
Если сравнивать описанный авторами исследования метод обработки электродного материала с существующими аналогами, то с точки зрения затрат он экономичнее, чем допирование углерода оксидом рутения или платиной. Кроме того, удобно, что примеси кислорода и азота можно внедрять прямо в процессе изготовления материала электрода, в то время как в случае с оксидом рутения и платиной требуется отдельный этап постобработки. Новый метод модификации позволил увеличить каталитическую активность материала, что приближает полученный материал к электродам на основе благородных металлов.
Исследование показало, что предложенный подход может значительно улучшить электрохимические характеристики электродного материала, не усложняя технологию производства. Как только процесс контролируемого внедрения примесей азота и кислорода в материал электрода на этапе синтеза будет отработан, произведенные таким образом материалы можно будет использовать в изготовлении источников тока.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
