Обработка плазмой улучшила свойства электродов для топливных элементов

Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколтех) повысили качество углеродного материала для электродов, подвергнув его воздействию воздушной плазмы. Результаты исследования, опубликованные в Journal of Electroanalytical Chemistry, можно будет использовать для увеличения производительности топливных элементов.

Топливные элементы вырабатывают тепловую и электрическую энергию, окисляя топливо посредством химической реакции, отличной от горения. Эта технология подходит для резервных источников питания и применяется на космических аппаратах, складских погрузчиках и различных видах транспорта, в том числе автомобилях, автобусах, поездах и катерах. Однако более широкому внедрению топливных элементов препятствует как высокая температура их эксплуатации, так и сложность поиска материалов для трех основных деталей – положительного и отрицательного электродов, а также слоя керамического электролита между ними, который обеспечивает химическую реакцию с выделением энергии.

Аноды топливных элементов изготавливаются из углеродных материалов, от активности которых зависит протекание реакции, обеспечивающей генерацию электроэнергии. Ученые Сколтеха попытались повысить каталитическую активность углеродного материала, внедрив в углеродный электрод посторонние атомы.

«В данном случае мы внедряли атомы кислорода и азота в разных соотношениях в высокоориентированный пиролитический графит и ещё один углеродный материал, подвергая их воздействию плазмы разного состава», – цитирует Сколтех старшего преподавателя Центра технологий материалов Станислава Евлашина.

Ученые произвели обработку материала плазмой в камере, наполненной либо чистым азотом, либо чистым кислородом, либо обычным воздухом. При приложении электрического напряжения происходил так называемый пробой среды: молекулы газа распадались на проводящие электрический ток ионы и электроны, то есть превращались в плазму. Эксперимент показал, что воздушная плазма оказывает наилучшее воздействие на материал электрода, чем чистые газы, отличающиеся более высокой стоимостью.

Новый метод обработки электродного материала более удобен и экономичен, чем допирование углерода оксидом рутения или платиной. В частности, 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. Вдобавок, ученым удалось повысить каталитическую активность материала, приблизив его свойства к электродам на основе благородных металлов. Это, в свою очередь, облегчит производство источников тока.