Если вы когда-нибудь задумывались, куда деваются обрезки ткани после пошива одежды, то у нас для вас неожиданная новость. Оказывается, этот ворс и пух, который обычно просто выкидывают, может стать основой для устройств будущего. Ученые из двух московских институтов — НИТУ МИСИС и НИИ перспективных материалов и технологий — придумали, как за несколько минут превращать текстильные отходы в углеродный материал для суперконденсаторов. Раньше на такой процесс уходило больше часа, а теперь вся магия умещается в перерыв на кофе. Причем получается не просто уголь, а высокотехнологичная субстанция, которая выдерживает десятки тысяч циклов зарядки и почти не теряет своих свойств. Работа поддержана Минобрнауки, а результаты уже опубликованы в серьезном научном журнале Journal of Energy Storage, так что за слова здесь отвечают.
Почему обычный уголь не тянет, или Зачем суперконденсатору поры
Чтобы понять масштаб открытия, нужно разобраться в одной тонкости. Суперконденсаторы — штука хитрая. В отличие от обычных батареек, где внутри идут химические реакции и все греется, здесь энергия копится за счет статики. Буквально: на поверхности угольного электрода оседают ионы, как мухи на липкую ленту. И чем больше площадь этой ленты, тем больше энергии можно запасти. У современных активированных углей эта площадь бешеная — до двух тысяч квадратных метров на один грамм. Представьте себе кусочек сахара размером с ноготь, у которого внутри спрятано футбольное поле. Впечатляет, правда?
Но есть нюанс. Чтобы ионы быстро залетали на это поле и так же быстро с него улетали, нужны не просто дырочки, а правильная инфраструктура. Если все поры будут микроскопическими, ионы застрянут в пробке, и устройство не сможет быстро отдать энергию. Ассистент кафедры физической химии НИТУ МИСИС Валентин Берестов объясняет это так: у традиционных материалов поры очень мелкие, из‑за чего ионам электролита сложно быстро в них проникать. Представьте, что вам нужно забежать в узкую дверь в час пик — будет давка. А если есть и широкие ворота, и маленькие калиточки, то народ распределяется равномерно, и проходимость резко возрастает. Именно эту задачу и решали ученые: создать углерод с идеальным сочетанием разных типов пор, чтобы суперконденсаторы могли работать на высоких нагрузках без потери эффективности.
Хлопок, микроволновка и никакого мошенничества
И тут начинается самое интересное. В качестве сырья исследователи взяли не какие-то дорогие реактивы, а обычный хлопковый пух — те самые отходы, которые остаются на ткацких станках. Конкретно — с Ярцевского хлопчатобумажного комбината. Грязь, пыль, мелкий ворс, который обычно отправляется на свалку. Но фишка в том, что хлопок сам по себе почти чистый углерод, и примесей там немного, так что сырье оказалось идеальным.
Дальше в дело вступила физика. Вместо того чтобы парить этот пух в печах полтора часа, тратя электричество и время, ученые применили микроволновое излучение. Но не в обычной микроволновке, где еда греется пятнами из-за того, что волны скачут по камере как угорелые. Тут использовали специальный волновод с бегущей волной. Доцент кафедры физической химии Илья Кречетов поясняет техническую сторону: в волноводе с бегущей волной при возбуждении только одной низшей моды образуется максимум напряженности поля прямо в том месте, где лежит образец. А так как образец маленький и лежит в центре, поле его обнимает равномерно со всех сторон. Никаких холодных зон и пережогов.
Весь процесс — от загрузки ворса до получения готового углерода — занял меньше пяти минут. Пять минут против полутора часов! Это как сравнивать полет на сверхзвуковом самолете с путешествием на товарняке. При этом материал получается с той самой иерархической пористостью: там есть и микроскопические норки для накопления заряда, и магистральные каналы для быстрого перемещения ионов. И главное — никакой химии, чистая физика.
Ресурс, экология и вопрос: что будет через 20 тысяч циклов
Когда материал получили, его, конечно, погнали на испытания. И тут он показал себя молодцом. Даже после двадцати тысяч циклов зарядки и разрядки образцы сохраняли больше 95 процентов своей емкости. Для понимания: это как если бы ваш телефон каждый день заряжали по десять раз, и через пять с половиной лет он работал бы как новый. Обычные литий-ионные аккумуляторы такого издевательства не выдерживают и умирают через тысячу циклов.
Но что делать с этим материалом, когда суперконденсатор все-таки отработает свое? Вопрос переработки тоже продумали. Сам по себе углерод — вещество безопасное, его можно утилизировать как обычный бытовой мусор или просто сжечь. Однако в процессе производства выделяются летучие продукты, и здесь ученые действуют по-честному. В лаборатории их отводят через вытяжку, чтобы никто не дышал, а если доводить технологию до промышленных масштабов, эти газы можно дожигать и получать дополнительную энергию. Это стандартная практика на производствах активированных углей, так что ничего секретного или вредного тут нет.
Илья Кречетов добавляет важный штрих: использование отходов снижает нагрузку на экологию и вписывается в концепцию экономики замкнутого цикла. Вместо того чтобы закапывать мусор в землю, мы делаем из него полезные устройства. И метод, кстати, универсальный — подходит не только для хлопка, но и для другого растительного сырья. Так что в будущем мы, возможно, будем заряжать электромобили энергией, накопленной в электродах из того, что когда-то было старой футболкой.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
