Химики сделали из древесины электроды для суперконденсаторов
S.-C. Li et al./ Angewandte Chemie, 2018
Китайские химики разработали технологию получения из древесины пористого углеродного материала, который можно использовать как электрод в суперконденсаторах. По удельной емкости и максимальной плотности энергии суперконденсаторы, созданные из такого материала, не уступают современным аналогам, полученным традиционными способами, пишут ученые в Angewandte Chemie.
Основная задача при создании углеродных материалов из природных объектов — придать материалам нужные физические свойства и сделать их достаточно твердыми, упругими или пористыми, а также устойчивыми к внешним воздействиям. Например, недавно ученым удалось получить из древесины упругую губку, которую можно сжимать на 80 процентов без разрушения и без снижения механической прочности. Одно из достоинств углеродных материалов, которые можно получить непосредственно из древесины — их высокая пористость, а соответственно — большая удельная площадь поверхности. Так как углерод, кроме этого, еще и проводит электрический ток, высказывалось предположение, что из древесины можно получать электродные материалы для суперконденсаторов, которые работают за счет запаса заряда в двойном электрическом слое и требуют как раз хорошей проводимости и большой удельной площади поверхности.
Китайские химики под руководством Шу-Хуна Юя (Shu-Hong Yu) из Научно-технологического университета Китая разработали достаточно простую и эффективную технологию, которая позволяет воплотить эти идеи на практике и получить из древесины углеродный аэрогель, которые потом можно использовать в качестве электродов в суперконденсаторах. Предложенный метод получения пористого углеродного материала включает две основные стадии: сначала из древесины нужно получить пористый материал на основе целлюлозных волокон, которые затем с помощью пиролиза переводятся в углеродный материал.
Для получения целлюлозного аэрогеля ученые сначала окисляли древесину с использованием катализатора TEMPO, после чего разделяли на отдельные волокна и из ее водной суспензии с помощью соляной кислоты получали целлюлозный гидрогель. После замены растворителя и последующей сверхкритической сушки из гидрогеля химики получали аэрогель, состоящий из целлюлозных волокон. После карбонизации при 800 градусах Цельсия целлюлозный аэрогель превращался в углеродный, который ученые и предложили использовать в качестве электродного материала.
Принципиальная схема получения углеродного аэрогеля из древесины (NFC — целлюлозные нановолокна, CNF — углеродные нановолокна)
S.-C. Li et al./ Angewandte Chemie, 2018
Измерения плотности, пористости и элементного состава показали, что с точки зрения структурных свойств этот полученный углеродный аэрогель не уступает современным материалам, которые используются в качестве электродов в суперконденсаторах. Для проверки работоспособности полученного материала, ученые собрали на его основе двухэлектродный суперконденсатор. В качестве электролита в ячейке был использован двухмолярный раствор серной кислоты. Вольтамперометрические измерения показали, что при всех скоростях сканирования вплоть до 500 милливольт в секунду для ячейки характерны практически прямоугольные вольтамперограммы, что подтверждает образование двойного электрического слоя.
Микрофотографии полученного углеродного аэрогеля, полученные с помощью сканирующей (а) и просвечивающей (b,c) электронной микроскопии
S.-C. Li et al./ Angewandte Chemie, 2018
Удельная емкость суперконденсатора достигала 140 фарад на грамм и при увеличении плотности тока с течением времени не падала больше, чем на 36 процентов. Ученые также показали, что подобный материал может быть использован и в трехэлектродных суперконденсаторах. По оценкам химиков, максимальная плотность энергии суперконденсаторов с полученными из древесины углеродными аэрогелями может достигать 48,6 киловатт на килограмм, что превышает показатели большинства современных суперконденсаторов.
Авторы исследования отмечают, что потенциально полученные ими аэрогели могут использоваться не только как электроды для суперконденсаторов, но и в качестве подложек для электрокатализаторов, при очистке воды или для получения аккумуляторов.
Стоит отметить, что далеко не впервые ученые предлагают использовать древесину или целлюлозные материалы в качестве основы для суперконденсаторов. Например, в прошлом году ученые разработали гибкий электрод для суперконденсатора с помощью послойного осаждения золотых и оксидных наночастиц на целлюлозные волокна бумаги.
Александр Дубов
