Используя принципы ракетостроения, исследователи создали углерод с рекордной площадью поверхности. Материал может впитывать примерно в два раза больше CO2, чем современные материалы на основе активированного угля, и обладает впечатляющими возможностями хранения энергии.
Как вы, возможно, помните из опыта смешивания пищевой соды и уксуса для создания вулкана в старшей школе, когда определенные химические вещества вступают в контакт друг с другом, результаты могут быть взрывоопасными.
Принимая этот принцип в гораздо более серьезной степени, ученые-ракетчики уже много лет используют нечто, известное как гиперголические реакции, в качестве топлива для целого ряда космических аппаратов. Это реакции между двумя химическими веществами (обычно топливом и окислителем), которые настолько сильны, что могут обеспечить движение, если их правильно направить. Например, одной из наиболее распространенных комбинаций в мире гиперголического движения является смешивание горючего гидразина с окислителем тетраоксидом азота.
В Корнеллском университете постдокторант Николаос Чалмпес использовал гиперголические реакции другим способом. Он создавал материалы из мощных сил, высвобождаемых при смешивании различных химических веществ.
Полагая, что такая технология может помочь увеличить пористость углерода, что увеличит площадь его поверхности и позволит ему лучше хранить энергию и улавливать углекислый газ, профессор Корнеллского университета Эммануэль Джианнелис начал работать с Чалмпесом над новым исследованием.
«Я пытался понять, как использовать и контролировать эти неисследованные реакции для синтеза различных углеродных наноструктур, и после корректировки различных параметров я обнаружил, что мы можем достичь сверхвысокой пористости», — сказал Чалмпес, ведущий автор исследования. «До этого эти реакции использовались только в ракетных и авиационных системах, а также в дальних космических зондах для движения и гидравлической энергии».
Дуэт, с помощью команды других ученых, добился успеха. Они создали углерод, который имеет поразительную площадь поверхности 4800 квадратных метров на грамм, что, по их словам, примерно эквивалентно размеру футбольного поля, аккуратно упакованного в чайную ложку. «Насколько нам известно, это значение площади является самым высоким из зарегистрированных в литературе», — пишут исследователи в своем исследовании, опубликованном в журнале ACS Nano.
Пять углеродных колец
Ключ к успеху материала связан с тем фактом, что гиперголическая реакция создает углеродные трубки, которые имеют высокую концентрацию молекулярных колец, состоящих из пяти атомов углерода вместо обычных шести. Это изменяет углы связей на молекулярном уровне и повышает стабильность трубок.
В ходе реакции трубки собирались по шаблону, созданному исследователями, чтобы придать форму структуре. Наконец, полученная структура была покрыта гидроксидом калия, который смывает менее стабильные структуры и оставляет после себя тысячи микроскопических пор.
«Когда вы проводите эту очень быструю реакцию, она создает идеальную ситуацию, в которой система не может расслабиться и перейти в свое самое низкое энергетическое состояние, что она обычно и делает», — сказал Джианнелис. «Из-за скорости гиперголических реакций вы можете поймать материал в метастабильной конфигурации, которую вы не можете получить при медленном нагревании обычной реакции».
Улавливание углерода за T минус две минуты
После того, как материал был создан, исследователи протестировали его, чтобы увидеть, сколько углекислого газа он может изолировать из атмосферы. Результатом стало то, что всего за две минуты он смог уловить 99% своей общей емкости, выход, который почти удваивает текущие продукты из активированного угля. Также было показано, что он обладает в четыре раза большей способностью к накоплению энергии, чем коммерчески доступные активированные угли, с объемной плотностью энергии 60 ватт-часов на литр.
«Этот подход предлагает альтернативную стратегию для проектирования и синтеза материалов на основе углерода, подходящих для сорбентов, носителей катализаторов и активных материалов для суперконденсаторов, особенно в приложениях, требующих эффективности пространства», — сказал Чалмпес. «Более того, уникальные экспериментальные условия гиперголических реакций открывают еще один путь для проектирования и синтеза электрокатализаторов с улучшенными свойствами».
