Ученые НИТУ МИСИС и НИИ ПМТ создали быстрый метод получения углеродных материалов из хлопковых отходов. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки, время производства сократилось с полутора часов до нескольких минут.
Полученные материалы подходят для электродов суперконденсаторов — устройств, которые быстро накапливают и отдают энергию. Они востребованы в электронике, транспорте и системах хранения энергии. В отличие от аккумуляторов, суперконденсаторы заряжаются и разряжаются почти мгновенно и выдерживают десятки тысяч циклов работы. Традиционно для их электродов используют активированный уголь, производство которого энергозатратно и долго. Новый метод решает эту проблему.
Ученые НИТУ МИСИС и НИИ ПМТ предложили альтернативу традиционным методам получения углеродных материалов. Вместо длительного нагрева в печах они использовали микроволновую обработку в специальном волноводе в режиме бегущей волны. Благодаря такой системе микроволновое излучение эффективно поглощается всем образцом — это позволяет быстро и равномерно нагревать материал по всему объему. В качестве исходного сырья исследователи взяли хлопковые отходы текстильного производства: этот материал доступен, возобновляем и отличается высоким содержанием углерода.
Весь процесс превращения исходного хлопка в углерод и формирования пористой структуры занял менее пяти минут. Для сравнения: классическая термическая обработка требует более полутора часов и значительно больших энергозатрат. Полученные углеродные материалы имеют развитую иерархическую пористую структуру.
У традиционных материалов поры очень мелкие, из‑за чего ионам электролита сложно быстро в них проникать. В новом же материале формируется удачное сочетание как мелких, так и более крупных каналов. Благодаря этому ионы легче перемещаются внутри электрода, что заметно повышает эффективность работы суперконденсатора — особенно в условиях высоких нагрузок.
Испытания подтвердили высокую надежность разработки: образцы сохраняют более 95% емкости даже после 20 тысяч циклов зарядки и разрядки. При работе с высокими токами такие материалы демонстрируют лучшие характеристики по сравнению с активированными углями, полученными традиционным способом. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Energy Storage (Q1).
Микроволновое излучение и раньше использовали для получения активированного углерода, но обычно это делается в так называемых печах резонаторного типа — по конструкции почти таких же, как обычные бытовые печи-микроволновки. И в этом случае по скорости получения или качеству материала результат не всегда превосходил традиционные методы. В нашей работе предложено оригинальное техническое решение: облучать образец в волноводе. Это позволяет радикально повысить скорость получения материала с нужными свойствами, а использование для этого текстильных отходов снижает нагрузку на окружающую среду и соответствует концепции экономики замкнутого цикла, где отходы становятся ресурсом.
Разработанная технология поддается масштабированию и может быть адаптирована для работы с другими видами биомассы. Это в перспективе позволит наладить быстрое и экологичное производство материалов для систем хранения энергии нового поколения — таких решений хватит и для питания портативной электроники, и для нужд электротранспорта, и для задач промышленной энергетики.
Ассистент кафедры физической химии НИТУ МИСИС, младший научный сотрудник НИИ ПМТ Валентин Берестов рассказал Наука Mail о нюансах разработки.
— Какие именно отходы вы использовали — чистый хлопок или, возможно, какие-то переработанные варианты и примеси?
— Мы использовали настоящие отходы текстильного производства — хлопковый пух с Ярцевского хлопчатобумажного комбината. Сырье специально не очищали, но исходный материал сам по себе обладает низким содержанием примесей. Вопрос их влияния на свойства материала требует отдельного изучения — теоретически они могут как мешать, так и помогать, но в рамках данной работы мы этот эффект специально не исследовали, ввиду их малого количества. Кроме того, важно было убедиться, что материал получается перспективным при использовании отходов «как есть».
— Как именно работает микроволновая обработка в волноводе с бегущей волной и почему она нагревает хлопок равномерно по всему объему?
— В бытовой СВЧ печи внутри камеры из-за переотражений от ее стенок и интерференции падающих и отраженных волн между собой образуется неравномерность распределения электромагнитного поля, поэтому тело нагревается неравномерно. В волноводе же с бегущей волной при возбуждении только одной низшей моды образуется максимум напряженности электрического поля в области расположения образцов хлопкового пуха. Ввиду небольших размеров образца (несколько см) и его расположения в центре волновода, он нагревается равномерно из-за однородности электрического поля в месте его размещения.
— Можно ли использовать такой уголь для создания обычных батареек или как абсорбент?
— Как адсорбент такой уголь использовать можно — развитая пористость позволяет ему хорошо поглощать разные соединения из воды или воздуха. А вот для аккумуляторов требуются немного другие углеродные материалы с иной структурой. Наш метод получения, вероятно, подойдет и для этой цели, но сам материал нужно будет «затачивать» под другие свойства — это требует дополнительных исследований и оптимизации, возможно, даже иного исходного сырья.
— Насколько сам процесс является «зеленым»? Выделяются ли вредные вещества?
— При микроволновом нагреве энергия тратится только на нагрев самого образца, а не печи и газовой среды, и при этом процесс занимает минуты вместо часов, что в разы снижает энергозатраты. Выделяющиеся летучие продукты разделяются на газы и жидкую фракцию (биомасло), которая может использоваться как биотопливо. Газообразные продукты в условиях лаборатории отводятся через вытяжку (в наших экспериментах их образуется немного), как того требуют стандарты безопасности, но если реализовывать технологию в промышленных масштабах, то их можно сжигать (как говорят — «дожигать»), что часто делают и на традиционных производствах активированных углей.
— Что происходит с материалом после 20 тысяч циклов? Можно ли его переработать?
— 20 тысяч — это стандартное количество циклов заряда/разряда при ресурсных испытаниях. Двойнослойные суперконденсаторы в принципе способны работать и более миллиона циклов, так что после 20 тысяч циклов их можно просто продолжить использовать. Однако рано или поздно материал электродов все же деградирует и разрушается, и после завершения срока службы его можно утилизировать как твердый бытовой отход (сам углерод безвреден) или сжечь.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России создан новый тип аккумуляторов для быстрой зарядки.
