ЛЕНТА

Химики сделали конденсаторы из кирпичей

Wang et al. / Nature Communications, 2020

Химики из США превратили красный кирпич в подложку конденсатора на основе проводящего полимера PEDOT. Подложка такого конденсатора должна иметь высокую удельную площадь поверхности и содержать в себе железо (III), которое нужно для окислительной полимеризации PEDOT — кирпич сочетает оба этих свойства, кроме того он прочный, дешевый и стабилен при высоких температурах. Конденсатор на основе нового материала выдержал 10000 циклов перезарядки, сохраняя 90 процентов своей емкости. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Обожженный красный кирпич люди умеют изготавливать уже более пяти тысяч лет — самые древние образцы обнаружены на территории Китая и относятся к периоду времен неолита. Такие кирпичи, изготавливают из глины с примесями соединений железа затем сушат и обжигают, которую сушат и обжигают. Готовый кирпич имеет пористую структуру и состоит из оксида кремния SiO2, оксида алюминия Al2O3 и гематита α-Fe2O3 — последний и придает материалу красновато-бурый оттенок.

Американские химики под руководством Хулио Д’Арси (Julio M. D’Arcy) из Университета Вашингтона предложили использовать красный кирпич в качестве подложки для конденсаторов из пленок проводящего полимера полиэтилендиокситиофена (PEDOT). В таких конденсаторах запасание энергии происходит за счет Фарадеевских реакций в проводящем полимере, а идея использовать для их создания кирпичные подложки — с одной стороны неожиданная, а с другой очень логичная. Дело в том, что пленку PEDOT получают из соответствующего мономера 3,4 этилендиокситиофена (EDOT) с помощью окисления, а в качестве окислителя во многих работах используются соединения железа (III). Таким образом, необходимо сначала получить материал с высокой удельной площадью поверхности, затем нанести на его поверхность соединения железа, и только потом наносить пленку PEDOT. Красный кирпич — пористый материал с большим количеством соединений железа (III) — по сути является готовой (и практически бесплатной по сравнению с используемыми сейчас материалами) подложкой для создания подобных конденсаторов. Кроме того, такой материал стабилен при нагреване и без проблем выдерживает температуру в 100–200 градусов Цельсия, при которой обычно проводят нанесение пленки PEDOT.

Авторы работали с образцами обыкновенного обожженного кирпича с массовой долей гематита около восьми процентов — его разрезали на небольшие брусочки, три раза промывали дистиллированной водой, и прокаливали при температуре 160 градусов Цельсия течение часа, чтобы полностью удалить следы влаги из пор. Затем брусочки помещали в закрытый реактор, в котором также находилась емкость с концентрированной соляной кислотой и раствором EDOT в хлорбензоле и вновь нагревали до 160 градусов Цельсия. Соляная кислота и EDOT при такой температуре испаряются и медленно оседают на поверхности пористого кирпича, при этом EDOT превращается в проводящий полимер PEDOT. Пары соляной кислоты выполняют в этом процессе сразу две функции — во-первых они помогают гидролизовать гематит Fe2O3, превратив его в более реакционноспособный оксигидкроксид железа FeOOH, во-вторых — ускоряют процесс окислительной полимеризации EDOT.

После 14 часов реакции кирпичный брусок полностью менял цвет, становясь темно-синим, почти черным за счет слоя PEDOT, после этого реакцию останавливали, бруски промывали избытком метанола, чтобы удалить непрореагировавший EDOT и высушивали. Толщина полимерного покрытия зависела от концентрации EDOT и времени синтеза, авторам удалось добиться максимальной толщины слоя PEDOT в 400 микрометров, при этом длина одного полимерного волокна была в среднем 30 микрометров, а диаметр — 190 нанометров.

Нанесение проводящей полимерной пленки на кирпичную подложку

Wang et al. / Nature Communications, 2020

Поделиться

Готовые брусочки авторы испытали в роли конденсаторов. К ним прикрепили металлические контакты, в качестве электролита использовали водный раствор серной кислоты либо гель на основе поливинилового спирта и серной кислоты, а для защиты электродов — эпоксидная пленка. Конденсатор на основе гелевого электролита продемонстрировал емкость 1,38 фарад на кубический сантиметр, причем 90 процентов исходной емкости сохранялось после 10000 циклов перезарядки. В случае использования жидкого электролита емкостные характеристики была выше (емкость до 2,84 фарад на кубический сантиметр максимальное выдаваемое напряжение 2,6 Вольта, устройство смогло питать светодиод в течение одной минуты, как видно на видео), однако устройства оказались менее стабильными. Впрочем, авторы не проводили полной оптимизации всех составных частей конденсатора, поэтому в дальнейшем характеристики, скорее всего, можно будет улучшить.

Конечно, кирпичные электроды вряд ли будут использоваться в мобильных устройствах, однако они могут найти применение в стационарных конденсаторах — в этом случае вес устройств неважен, а вот низкая цена и отличная механическая прочность могут оказаться решающим преимуществом. Кроме того, авторы предлагают использовать кирпичные конденсаторы для строительства жилых домов или их частей — механические свойства от покрытия полимером не ухудшаются, поэтому такая стена может одновременно служить и несущей конструкцией и конденсатором. По расчетам авторов, подобная стена может иметь емкость 11500 фарадей на квадратный метр поверхности.

В апреле ученые из США превратили остатки полиэтилентерефталатных бутылок в сырье для производства металл-ионных аккумуляторов. Смешав полиэтилентерефталат с гидроксидом натрия и обработав смесь микроволновым излучением, ученые сумели получить из него терефталат натрия — перспективный материал для анодов натрий-ионных аккумуляторов.

Наталия Самойлова

источник

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»
Do NOT follow this link or you will be banned from the site!
Установите приложение MEGANEWS на Google Play
УСТАНОВИТЬ
Закрыть
Закрыть

Обнаружен Adblock

Поддержите нас, пожалуйста, отключив блокировку рекламы.