Углеродные аэрогели из древесины
 |
|
Аэрогели из дерева |
Углеродные аэрогели, ультралегкие и проводящие, интересны как потенциальный материал для электродов суперконденсаторов, применяющихся в электромобилях и бытовой электронике, однако существующие методы их получения довольно сложны. Исследователи из КНР разработали новый способ получения таких аэрогелей из возобновляемого сырья — нанофибрилл целлюлозы («Angew. Chem. Int. Ed.», 2018, 57, 24, 7085—7090, doi: 10.1002/anie.201802753).
Суперконденсаторы — это конденсаторы, способные почти мгновенно накапливать и высвобождать большое количество энергии. Ключевые требования к материалу для суперконденсатора — большая площадь поверхности и высокая проводимость, а также, что не менее важно для промышленного производства, простой метод получения, причем желательно из возобновляемого сырья. Как показали результаты исследования Шу-Хуна Ю из Научно-технического университета Китая в Хэфэе, материалы, удовлетворяющие всем требованиям, — углеродные аэрогели.
Сейчас существует два способа их получения. Сырьем для первого, менее затратного, служат производные фенола. Однако углеродные структуры, которые производят этим способом, отличаются скромной электропроводностью. Второй метод позволяет получать аэрогели, свойства которых идеально соответствуют применению в микроэлектронике, но, поскольку сырье для них — углеродные нанотрубки и графен, стоимость их довольно высока. Ю предлагает получать углеродные аэрогели из дешевого и распространенного источника — древесной массы. Точнее, из ее основного компонента — наноцеллюлозы, волокна которой образуют клеточные стенки растений.
Мягкое окисление наноцеллюлозы в присутствии ловушек свободных радикалов приводит к образованию гидрогеля с упорядоченно расположенными нановолокнами целлюлозы, одинаковыми по форме и длине. Органические аэрогели получают из гидрогелей с помощью сушки и пиролиза. Китайские исследователи также попытались провести пиролиз лиофилизированного (высушенного при экстремально низких температурах) гидрогеля из нановолокон целлюлозы. Присутствие катализатора (п-толуолсульфокислоты) позволило снизить температуру пиролитического расщепления целлюлозы и получить механически устойчивую и высокопористую трехмерную сетку из атомов углерода. Сетка имеет большую удельную площадь поверхности и высокую электропроводность.
Авторы работы сделали из углеродного аэрогеля древесного происхождения электроды для суперконденсаторов. Производительность оказалась почти такой же, как у коммерчески доступных электродов. В ближайших планах Ю и соавторов — масштабирование нового процесса.
Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 7/2018) на с. 21.