Микроволновка превратила пластиковые отходы в сырье для производства анодов аккумуляторов
Индийские и американские химики получили из старых пластиковых бутылок наночастицы терефталата натрия — перспективный материал для анодов натрий-ионных аккумуляторов. Превращение происходит под действием гидроксида натрия в обыкновенной микроволновой печи и занимает всего две минуты. Аноды из такого материала не уступают в емкости тем, которые были получены традиционным путем, говорится в исследовании, опубликованном в ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Металл-ионные аккумуляторы — накопители энергии, переносчиками заряда в которых служат ионы металла. Литий-ионные аккумуляторы, которые появились на рынке в 1991 году, сегодня распространены повсеместно: на них работают ноутбуки, смартфоны и даже электромобили. В связи с таким активным использованием лития, его запасы на нашей планете стали истощаться, поэтому очень перспективным выглядит переход на натрий-ионные аккумуляторы — натрий в природе встречается почти в 1000 раз чаще лития.
Анодом в металл-ионных аккумуляторах называют электрод, который отдает ионы металла в процессе разрядки. Анодный материал должен обладать высокой разрядной емкостью и стабильностью — то есть вмещать в себя как можно больше металла и выдерживать большое количество циклов перезарядки. Современные аноды для литий-ионных аккумуляторов изготавливают на основе графита, между слоями которого может помещаться литий. Более крупный натрий сложнее внедрить между графитовыми слоями, поэтому для анодов натрий-ионных аккумуляторов ученые ищут другие материалы: среди них называют композиты на основе наночастиц терефталата натрия (Na2C8H4O4). Кристаллическая решетка этой соли имеет много пустот, которые могут вместить в себя лишний натрий, когда батарея заряжается.
Команда индийских и американских химиков под руководством Виласа Пола (Vilas G. Pol) из Университета Пёрдью предложила получать этот материал из измельченных полиэтилентерефталатных бутылок. Процесс очень прост: к взвеси полиэтилентерефталата в этиленгликоле добавляют избыток гидроксида натрия и облучают микроволновым излучением в течение двух минут. При этом происходит щелочной гидролиз (омыление) сложноэфирных мостиков в составе полиэтилентерефталата, и его цепи распадаются до мономерных блоков — этиленгликоля и терефталата натрия. Последний выпадает в осадок и его остается только отцентрифугировать и высушить. Для полного превращения всего полиэтилентерефталата достаточно мощности в один киловатт, то есть синтез можно проводить в стандартной микроволновой печи. Рентгено-фазовый анализ, ИК-спектроскопия и ЯМР-спектроскопия подтверждают, что такой продукт не уступает по чистоте терефталату натрия, который получают традиционным способом — из терефталевой кислоты.
Для улучшения проводимости и площади поверхности терефталат натрия смешали с углеродным материалом Carbon Black (Super P) и перемололи в шаровой мельнице. Получился композит с размером частиц в несколько сот нанометров, из которого изготовили электроды. В составе натрий-ионного аккумулятора такой анод демонстрировал разрядную емкость в 224 миллиампер-час на грамм после 50 циклов, что также очень близко к емкости традиционно полученных анодов.
Полиэтилентерефталат — один из самых распространенных полимеров, из него делают пластиковые бутылки, одежду и различные виды упаковки. Каждый год человечество производит 70 миллионнов тонн этого материала, почти половина из которого очень быстро становится отходами. Превратить все это количество в аноды для батарей, конечно, невозможно: для масштабной утилизации ученые разрабатывают более дешевые и простые методы. В начале апреля большой шаг вперед в этой области сделали французские химики: с помощью их нового фермента можно за 10 часов разложить на мономеры до 90 процентов полиэтилентерефталата.
Американские ученые выяснили, что в процессе испарения растворителя диметилсульфоксида в перовскитных солнечных элементах образуются пустоты. Уменьшив количество диметилсульфоксида, и добавив в активный слой диаминомочевину, ученые сумели получить перовскитные слои без пустот и сделать солнечные элементы эффективнее и стабильнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Science. Эффективность перовскитных солнечных элементов возросла до 25,5 процентов и уже вплотную приблизилась к эффективности кремниевых солнечных элементов, однако недостаточная стабильность перовскитов все еще сдерживает коммерциализацию этой технологии. Перовскитный солнечный элемент состоит из нескольких слоев, каждый из которых выполняет свою роль. Самый нижний слой — прозрачный электрод из оксида индия с добавками олова (Indium Tin Oxide, ITO). На него наносят первый транспортный слой, активный слой из перовскита, второй транспортный слой, а затем напыляют металлический электрод. Деградация перовскитного слоя обычно начинается на границе с транспортными слоями, и различным способам пассивации и стабилизации этих границ посвящено уже очень много исследований. Однако, в основном в фокусе ученых была верхняя граница перовскитного слоя — та область, где через тонкий транспортный слой перовскит граничит с металлом. Стабилизация нижней границы перовскита изучена меньше, хотя в прошлом году ученые выяснили, что плотность дефектов в этой области даже выше, чем на верхней границе.