Хіміки перетворили недопалки на надпористий матеріал для зберігання енергії

Сигаретні недо­пал­ки — один із найма­со­ві­ших і най­стій­кі­ших видів смі­т­тя на пла­не­ті. Вони рока­ми лежать у ґрун­ті, воді й на узбіч­чях, посту­по­во виді­ля­ю­чи токси­чні спо­лу­ки. Але нове дослі­дже­н­ня пока­зує: у цьому сміт­ті при­хо­ва­ний цін­ний ресурс. Хіміки змо­гли пере­тво­ри­ти філь­три від сига­рет на над­по­ри­стий біо­ву­глець, при­да­тний для збе­рі­га­н­ня еле­ктри­чної енергії.

Як із недопалка зробили матеріал майбутнього

Команда нау­ков­ців роз­ро­би­ла дво­ста­дій­ний метод пере­ро­бле­н­ня сига­ре­тних філь­трів. Процес поєд­нує гідро­тер­маль­не кар­бо­ні­зу­ва­н­ня з хімі­чною акти­ва­ці­єю та точно кон­тро­льо­ва­ною тер­мо­об­роб­кою. У резуль­та­ті утво­рю­є­ться вугле­це­вий мате­рі­ал, лего­ва­ний ато­ма­ми азоту й кисню.

Таке легу­ва­н­ня прин­ци­по­во важли­ве. Воно фор­мує ієрар­хі­чну систе­му мікро- та нано­пор, які збіль­шу­ють актив­ну поверх­ню мате­рі­а­лу й покра­щу­ють пере­не­се­н­ня іонів. Саме ці вла­сти­во­сті роблять біо­ву­глець іде­аль­ним кан­ди­да­том для еле­ктро­дів суперконденсаторів.

Чому цей біовуглець такий ефективний

Оптимальний варі­ант мате­рі­а­лу отри­ма­ли при тем­пе­ра­ту­рі акти­ва­ції 700 °C. Його хара­кте­ри­сти­ки вра­жа­ють навіть за мір­ка­ми суча­сних енер­ге­ти­чних мате­рі­а­лів. Питома площа поверх­ні пере­ви­щує 2100 ква­дра­тних метрів на грам — це озна­чає вели­че­зну кіль­кість місць для нако­пи­че­н­ня заряду.

Під час випро­бу­вань у водних супер­кон­ден­са­то­рах мате­рі­ал продемонстрував:

• пито­му ємність близь­ко 345 фарад на грам
• збе­ре­же­н­ня понад 95% ємно­сті після 10 000 циклів заряд – розряд
• висо­ку ста­біль­ність за вели­кої щіль­но­сті струму

Це рівень, який дозво­ляє роз­гля­да­ти такі еле­ктро­ди як реаль­ну аль­тер­на­ти­ву тра­ди­цій­ним мате­рі­а­лам у пор­та­тив­ній еле­ктро­ні­ці та систе­мах нако­пи­че­н­ня від­нов­лю­ва­ної енергії.

Триразова користь для екології та енергетики

Потенційний ефект від мас­шта­бу­ва­н­ня цієї техно­ло­гії одра­зу бага­то­ви­мір­ний. По-перше, вирі­шу­є­ться про­бле­ма ути­лі­за­ції мільяр­дів сига­ре­тних недо­пал­ків. По-друге, змен­шу­є­ться вугле­це­вий слід виро­бни­цтва супер­кон­ден­са­то­рів, адже сиро­ви­ною ста­ють від­хо­ди, а не пер­вин­ні мате­рі­а­ли. По-третє, з’являються ефе­ктив­ні при­строї для збе­рі­га­н­ня чистої енер­гії, що осо­бли­во важли­во для соня­чних і вітро­вих електростанцій.

Це дослі­дже­н­ня пока­зує, як змі­ню­є­ться саме мисле­н­ня в хімії та мате­рі­а­ло­знав­стві. Відходи пере­ста­ють бути про­бле­мою й ста­ють ресур­сом. Перетворення сига­ре­тних філь­трів на над­по­ри­стий біо­ву­глець — при­клад того, як одна техно­ло­гія може одно­ча­сно вирі­шу­ва­ти еко­ло­гі­чні, енер­ге­ти­чні й інже­нер­ні зав­да­н­ня. І, ціл­ком можли­во, май­бу­тні аку­му­ля­то­ри почну­ться саме з того, що колись вва­жа­ло­ся зви­чай­ним сміттям.