Плазменная обработка улучшает качество материала электродов для топливных элементов в промышленности, быту и транспортных средствах.

Исследователи из Сколтеха и их коллеги улучшили свойства углеродного электродного материала, подвергнув его воздействию воздушной плазмы. Оказалось, что такая обработка улучшает характеристики электродов, что является ограничивающим фактором для высокотехнологичных источников энергии, особенно топливных элементов. Это многообещающая технология для более чистого и эффективного производства электроэнергии. Исследование, опубликованное в Журнале электроаналитической химии, даже показывает, что более дешевая в производстве воздушная плазма лучше подходит для обработки углеродного материала, чем плазма чистого азота или кислорода.

Одним из способов сделать горение природного газа чище является использование топливных элементов.

Это устройства, которые технически не сжигают топливо, а окисляют его другим способом. Этот процесс более безопасен для окружающей среды, поскольку он производит больше полезной энергии, меньше парниковых газов и не выделяет загрязняющих веществ, таких как оксиды азота, диоксид серы и аэрозольные частицы.

Топливные элементы используются для питания промышленных объектов и домов, особенно в отдаленных местах, не находящихся в сети, и там, где требуется резервное питание. Другое применение — выработка электроэнергии для космических зондов, подводных лодок, промышленных грузовиков, работающих в охлаждаемых помещениях, а также для более традиционных транспортных средств, таких как автомобили, автобусы, поезда и лодки. Основными преимуществами технологии являются ее эффективность, устойчивость и устойчивость.

Самая большая проблема — справиться с высокой рабочей температурой топливных элементов и усовершенствовать современные материалы, используемые в их трех основных компонентах: положительных и отрицательных электродах и слое керамического электролита между ними, который облегчает химическую реакцию, дающую полезную энергию. Ранее исследователи Сколтеха изготовили электролитический компонент сложной формы для твердооксидных топливных элементов. В новом исследовании используется один из распространенных анодных материалов, чтобы улучшить его.

«Аноды в твердооксидных топливных элементах изготавливаются из различных форм углерода, и каталитическая активность этих материалов ограничивает скорость реакции в ячейке, обеспечивающей электроэнергию. Мы ищем способы повысить каталитическую активность путем включения в углеродный электрод инородных атомов, называемых дефектами. Это называется инженерией дефектов», — говорит ведущий автор исследования, доцент Станислав Евлашин из Сколтеха «Материалы». «В этом исследовании мы вводим атомы кислорода и азота в различных пропорциях в высокоориентированный пиролитический графит и еще один материал на основе углерода, подвергая их воздействию плазмы различного состава».

Чтобы модифицировать материал электрода, команда подвергла его разряду постоянного тока, который образовал плазму в камере, заполненной попеременно чистым азотом, чистым кислородом и обычным воздухом. Последний из трех показал лучшие результаты, и это хорошая новость, поскольку чистые газы, очевидно, дороже. В целом этот подход к инженерии дефектов более экономичен, чем существующие альтернативы: углерод, легированный оксидом рутения или платиной. Новая технология удобна еще и тем, что включения кислорода и азота можно вводить уже в процессе изготовления исходного материала без необходимости дополнительной стадии постобработки, необходимой для легирования оксидом рутения и платины. По влиянию на каталитическую активность плазменная обработка настолько улучшила свойства материала, что электроды из него стали достаточно близки к электродам, использующим благородные металлы.

Результаты показывают, что подход к инженерии дефектов может значительно улучшить конечные электрохимические характеристики материала без использования дополнительных материалов или этапов производства. Как только исследователи научатся контролируемым образом вводить дефекты в процесс синтеза материалов, полученные материалы можно будет немедленно использовать в производстве источников тока.

Изображение. Впечатление генеративного ИИ Midjourney о примесях, содержащихся в структуре, состоящей из атомов углерода. Фото: Midjourney, по инициативе Сколтеха по связям с общественностью

Источник