Водород широко используется в нефтепереработке и производстве удобрений. Это также многообещающее экологически чистое топливо, при сжигании которого образуется чистая вода. Стоимость производства водорода непосредственно влияет на развитие энергетики, поэтому многие исследовательские группы по всему миру ищут способ заменить традиционные очень дорогие катализаторы платиновой группы новыми материалами.
Перспективным материалом для этого является кубический карбид вольфрама высокой чистоты. По словам ученых, его очень сложно получить в нормальных условиях, и для его синтеза требуется температура около 3000 ° C и высокая скорость охлаждения. Исследовательской группе под руководством доктора технических наук, профессора ТПУ Александра Сивкова удалось получить этот материал высокой чистоты (до 95%) с помощью уникальной научной установки – коаксиального магнитоплазменного ускорителя.
Установка позволяет добиться высоких температур и быстрого охлаждения с помощью сверхбыстрых плазменных струй. В качестве сырья используются легкодоступные и относительно недорогие порошки вольфрама и сажи, которые затем помещаются в ускоритель. Когда плазменная струя попадает в рабочую камеру, порошки превращаются в кубический карбид вольфрама в плазмохимической реакции.
По словам доцента кафедры энергетики и электротехники ТПУ Ивана Шаненкова, особенности плазмодинамического синтеза (создание сверхбыстрых плазменных струй более трех километров в секунду, высокая скорость охлаждения, импульсный характер процесса длительностью менее одна миллисекунда) позволяют формировать наноразмерные (менее 70 нанометров) кубические частицы карбида вольфрама в углеродных оболочках.
«Такие структуры успешно используются в реакции получения водорода из воды электрокатализом. Это позволит минимизировать использование редких и дорогих благородных металлов платиновой группы», – сказал он.
По словам ученого, несколько исследовательских групп по всему миру занимаются синтезом композиционных материалов на основе кубического карбида вольфрама. Метод плазмодинамического синтеза позволил преодолеть большинство ограничений, связанных с получением этого материала.
Ученые ТПУ вместе с исследователями из Университета Цзилинь и Университета Циндао (Китай) подтвердили высокий потенциал использования этого материала для электрокаталитического производства водорода.
В ближайшем будущем ученые хотят узнать, как контролировать характеристики материала, чтобы еще больше повысить его каталитическую активность и полностью отказаться от использования дорогих благородных металлов.
Работа выполнена в рамках гранта Российского научного фонда №19-13-00120.
Результаты исследования опубликованы. в Журнале сплавов и соединений.
