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.