Ученые разработали материал для создания долговечных элементов водородной энергетики

Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Сахалинского государственного университета (СахГУ) разработали инновационный керамический материал, который может стать основой для создания более эффективных и долговечных элементов водородной энергетики. Об этом сообщили в Минобрнауки РФ.

Водородная энергетика может стать более доступной и надежной, если будут найдены материалы для электродов, которые одновременно были бы химически активны, хорошо проводили реакцию и при этом не разрушались в агрессивной среде. Было предложено взять за основу композит из карбида хрома — прочного и стойкого керамического соединения — с добавлением 10% кобальта. Проводя эксперименты по спеканию этих материалов, ученые научились управлять свойствами материала, делая его либо максимально активным для выработки энергии, либо сверхпрочным для длительной работы.

«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 1 000 до 1 200 градусов Цельсия. И тут открылась удивительная закономерность: меняя температуру, можно получать материал с кардинально разными свойствами», — рассказал научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ Олег Шичалин.

Оптимальный диапазон находится в интервале 1 150-1 200 градусов. При такой обработке кобальт равномерно распределяется между частицами карбида хрома, заполняя все пустоты. В результате получается сверхплотный материал почти без пор с очень высокой твердостью, сравнимой лишь с некоторыми видами броневой стали. При этом такой материал еще и устойчив к коррозии, что позволяет работать в жестких условиях, не изнашиваясь годами.

«Самое интересное произошло с образцами, которые спекали при более низкой температуре около 1 000 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», — добавил Олег Шичалин.

По словам ученых, полученные данные открывают широкий простор для инженерии. Для топливных элементов и электролизеров материал можно использовать для активного покрытия на электродах, чтобы повысить их производительность. Для защиты корпусов приборов или деталей, работающих в морской воде и агрессивных средах, лучше подойдет более прочная версия. Ученые предполагают, что можно создавать градиентные материалы, где одна часть будет отвечать за высокую активность, а другая — за прочность. Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, 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.