Дальневосточные ученые создали материал для «сердца» водородного двигателя
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.
Современная наука ищет способы, чтобы сделать водородную энергетику доступной и надежной. Одна из главных задач — найти материалы для электродов, которые одновременно были бы химически активны, хорошо поддерживали реакцию и при этом не разрушались в агрессивной среде.
В качестве основы для нового материала авторы взяли композит из карбида хрома — прочного и стойкого керамического соединения — с добавлением 10 % кобальта. Спекая карбид хрома с кобальтом, 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 1000 до 1200 градусов Цельсия. И тут открылась удивительная закономерность: меняя температуру, можно получать материал с кардинально разными свойствами», — рассказал один из авторов исследования, научный сотрудник лаборатории ядерных технологий ДВФУ, кандидат химических наук Олег Шичалин.
По словам ученых, при такой обработке кобальт равномерно распределяется между частицами карбида хрома, заполняя все пустоты. В результате, по аналогии с победитом (твердый сплав на основе карбида вольфрама — ред.) 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», — прокомментировал результаты Олег Шичалин.
По мнению исследователей, 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, авторы 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», — отметил ученый.
Исследование выполнено при поддержке Минобрнауки России, в том числе в рамках программы развития Инжинирингового центра ДВФУ «Материалы и технологии для Мирового океана и Арктики».