| 0 |
|
Обычно активированный уголь получают высокотемпературным сжиганием кокосовой скорлупы с последующей химической обработкой, создающей в нем множество пор нанометрового масштаба. В результате площадь поверхности этого недорогого материала существенно увеличивается, что позволяет использовать его в качестве катализатора химических реакций и для хранения электрического заряда.
Такой метод производства активированного угля имеет и свои недостатки. Получаемые в нем нанопоры слабо соединяются между собой, что ограничивает их способность проводить электричество.
«Не существует способа управлять связанностью пор в активированном угле, – утверждает Чжэнань Бао (Zhenan Bao), профессор химических технологий Стэнфордского университета. – Кроме того, из кокосовой скорлупы и прочего стартового сырья в углерод попадает множество примесей. Обычный активированный уголь хорош в качестве уничтожителя неприятного запаха в холодильнике, но он не обеспечивает достаточно высоких показателей для применения в электронных устройствах и накопителях энергии».
На страницах издания ACS Central Science, Бао и его коллеги по университету рассказали о разработанном ими методе получения нового углеродного материала, получившего название «конструкционного углерода» (designer carbon).
Исходным материалом для него служит проводящий гидрогель. «Гидрогельные полимеры формируют взаимосвязанную трехмерную структуру, идеальную для прохождения электричества», – сообщил Бао. Мягкое науглероживание и активация преобразуют эту полимерную структуру в углеродный слой толщиной несколько нанометров. Химический состав, размер пор и площадь поверхности конструкционного углерода, по утверждению авторов, легко регулируются изменением типа используемых полимеров и органических добавок, а также температуры технологического процесса.
Так, увеличение температуры обработки с 400 до 900°C приводило к 10-кратному росту объема нанопор. Последующая химическая активация добавлением гидрохлорида калия увеличивала площадь поверхности материала до рекордного значения 4073 м2/г (максимальная площадь для обычного активированного угля составляет около 3000 м2/г).
Для проверки прикладной ценности нового материала авторы изготовили электроды с покрытием из конструкционного углерода. Испытания их в составе суперконденсаторов показали рост электропроводности в три раза по сравнению с электродами, сделанными из традиционного активированного угля. «Мы также установили, что конструкционный углерод улучшает скорость высвобождения энергии и стабильность электродов», – добавил Бао.
Аналогичные опыты проводились с литий-серными батареями. Эти перспективные устройства страдают от серьезного недостатка: реакция между литием и серой порождает молекулы полисульфида лития, которые накапливаются в электролите и мешают работе батареи. Стэнфордская команда экспериментально продемонстрировала способность конструкционного углерода препятствовать утечке полисульфидов, обеспечивая стабильность рабочих характеристик литий-серного аккумулятора.
«Мы можем легко конструировать электроды с достаточно мелкими порами для того, чтобы обеспечивать диффузию ионов лития, но задерживать полисульфиды, – сообщил Бао. – Конструкционный углерод прост в изготовлении, односительно дешев и удовлетворяет всем требованиям для высококачественных электродов».
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| 0 |
|
