В Журнале Chemical Engineering Journal опубликована статья ученых Института химии макрогетероциклических соединений ИГХТУ под руководством проф. Павла Анатольевича Стужина и их коллег из Лаборатории функциональных молекулярных и кристаллических материалов Пекинского университета науки и технологий (рук. проф. Хайлонг Ванг), в которой продемонстрирована возможность использования карбоксизамещенных тетрапиразинопорфиразинов для создания высокоэффективных калий-ионных батарей.
О важности разработки калий-ионных аккумуляторах, как потенциальной замене активно используемых литиевых рассказывает аспирант Алексей Чуфарин:
"Литий-ионный аккумулятор (Li-ion, LIB) — тип электрического аккумулятора, который широко распространён в электронной технике и находит своё применение в качестве источника энергии во многих устройствах. Это самый популярный тип аккумуляторов в сотовые телефоны, ноутбуки, цифровые фотоаппараты, видеокамеры, и электромобили.
Маленькая историческая справка. В 2019 году Стэнли Уиттингем, Джон Гуденаф и Акира Ёсино получили Нобелевскую премию по химии с формулировкой «За развитие литий-ионных аккумуляторов». Если немного углубиться, то стоит сказать, что английский химик Стэнли Уиттингем работал над разработкой методов получения энергии, которые могли бы заменить ископаемое топливо, еще в 1970-годах. Он сделал из дисульфида титана катод для литиевой батареи, в который могут включаться ионы лития. Анод был частично изготовлен из металлического лития и был способен высвобождать электроны. Однако из-за высокой химической активности металлического лития батарея оказалась слишком взрывоопасной. Далее, уже американец Джон Гуденаф усовершенствовал катод, заменив дисульфид титана оксидом кобальта, получив батарею способную создавать напряжение до четырех вольт. Наконец, японский химик Акира Ёсино создал первый жизнеспособный литий-ионный аккумулятор, сделав анод из полиацетилена, а катод — из оксида лития-кобальта.
Как сказал ведущий российский специалист в области металл-ионных батарей, заведующий кафедрой электрохимии Химического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, профессор, академик РАН Евгений Антипов: "Первый [Уиттингем] показал принципиальную возможность, второй [Гуденаф] показал пригодность соединения LiCoO2 для этих целей, а третий [Ёсино] нашел "супружескую пару", которая как раз и использовалась потом в коммерческом продукте компании Sony с 1991 года. А сейчас это миллиарды устройств."
Но всегда присутствует какое-то "НО": Ключевыми "НО" выступают низкое содержание (0,0017 мас.) и несбалансированное распределениелития в земной коре. В связи с этим, интерес проявляется к возможности разработки батарей, использующих более распространенные щелочные металлы – натрий и калий. Калий-ионные аккумуляторы (PIB) появились в качестве многообещающей альтернативы из-за низкой стоимости электролита и возможности работы при высоком напряжении. Но и в случае с PIB есть нюансы. Из-за большого ионного радиуса калия снижается ресурс работы электродов на основе графита, двумерных наноматериалов, состоящий из карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов из-за расширения объема и медленной кинетики, что приводит к быстрому снижению ёмкости. Из этой проблемы вытекает острая потребность - разработка надёжных компонентов для электродов с повышенной стабильностью. И тут интересными материалами могут выступать ковалентные-органические каркасы (COF), а именно в нашей работе каркасы на основе макрогетероциклов (MCOF).
В нашей совместной работе с группой китайских учёных из Пекинского университета науки и технологии под руководством профессора Хайлонг Ванга были разработаны новые MCOF на платформе карбокси-замещённого тетрапиразинопорфиразина кобальта(II). Сам каркас получается путём гидротермальной реакции в присутствии соответствующего диамина в воде, что отличает способ его получения от ранее описанных систем. Богатая N/O-природа материала (чему способствует введение пиразиновых фрагментов), а именно три вида атомов азота в макроциклах тетрапиразинопорфиразина вместе с атомами кислорода карбонильных групп имидного цикла обеспечивают многичисленные и доступные редокс центры, необходимые для высокой емкости накопления ионов калия. Такая структура каркаса демонстрирует превосходные возможности хранения ионов калия в аккумуляторе. При использовании в качестве анодного материала такой MCOF показывает исключительные электрохимические характеристики и сохранение почти 100%-ная ёмкости даже после 3500 циклов разряда-заряда. Важно отметить, что это первый упоминаемый в литературе MCOF на основе пиразинового аналога фталоцианина!
С нашей работой "Multiple accessible redox-active sites in robust tetrapyrazinoporphyrazine covalent organic frameworks for high-performance potassium-ion batteries" вы можете ознакомиться по ссылке!"