Хіміки зробили конденсатори з цеглин
Хіміки зі США перетворили червону цеглу на підкладку конденсатора на основі проведеного полімеру PEDOT. Підкладка такого конденсатора повинна мати високу питому площу поверхні і містити в собі залізо (III), яке потрібно для окислювальної полімерізації PEDOT - цегла поєднує обидві ці властивості, крім того він міцний, дешевий і стабільний при високих температурах. Конденсатор на основі нового матеріалу витримав 10000 циклів перезарядки, зберігаючи 90 відсотків своєї ємності. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Обпалена червона цегла люди вміють виготовляти вже більше п'яти тисяч років - найдавніші зразки виявлені на території Китаю і відносяться до періоду часів неоліту. Такі цеглини, виготовляють з глини з домішками сполук заліза потім сушать і обпалюють. Готова цегла має пористу структуру і складається з оксиду кремнію SiO2, оксиду алюмінію Al2O3 і гематиту Fe2O3 - останній і надає матеріалу червонувато-бурий відтінок.
Американські хіміки під керівництвом Хуліо Д'Арсі (Julio M. D'Arcy) з Університету Вашингтона запропонували використовувати червону цеглу як підкладку для конденсаторів з плівок полімера поліетилендіокситіофену (PEDOT). У таких конденсаторах запасання енергії відбувається за рахунок Фарадіївських реакцій у проведеному полімері, а ідея використовувати для їх створення цегляні підкладки - з одного боку несподівана, а з іншого дуже логічна. Справа в тому, що плівку PEDOT отримують з відповідного мономера 3,4 етилендіокситіофена (EDOT) за допомогою окислення, а в якості окислювача в багатьох роботах використовуються з'єднання заліза (III). Таким чином, необхідно спочатку отримати матеріал з високою питомою площею поверхні, потім нанести на його поверхню з'єднання заліза, і тільки потім наносити плівку PEDOT. Червона цегла - пористий матеріал з великою кількістю сполук заліза (III) - по суті є готовою (і практично безкоштовною порівняно з використовуваними зараз матеріалами) підкладкою для створення подібних конденсаторів. Крім того, такий матеріал стабільний при нагріванні і без проблем витримує температуру в 100-200 градусів Цельсія, при якій зазвичай проводять нанесення плівки PEDOT.
Автори працювали зі зразками звичайної обпаленої цегли з масовою часткою гематиту близько восьми відсотків - його розрізали на невеликі брусочки, три рази промивали дистильованою водою, і проколювали при температурі 160 градусів Цельсія протягом години, щоб повністю видалити сліди вологи з пір. Потім брусочки поміщали в закритий реактор, в якому також знаходилася ємність з концентрованою соляною кислотою і розчином EDOT в хлорбензолі і знову нагрівали до 160 градусів Цельсія. Соляна кислота і EDOT при такій температурі випаровуються і повільно осідають на поверхні пористої цегли, при цьому EDOT перетворюється на проведений полімер PEDOT. Пари соляної кислоти виконують у цьому процесі відразу дві функції - по-перше вони допомагають гідролізувати гематит Fe2O3, перетворивши його на більш реакційноздатний оксигідкроксид заліза FeOOH, по-друге - прискорюють процес окислювальної полімеризації EDOT.
Після 14 годин реакції цегляний брусок повністю змінював колір, стаючи темно-синім, майже чорним за рахунок шару PEDOT, після цього реакцію зупиняли, бруски промивали надлишком метанолу, щоб видалити EDOT і висушували. Товщина полімерного покриття залежала від концентрації EDOT і часу синтезу, авторам вдалося домогтися максимальної товщини шару PEDOT в 400 мікрометрів, при цьому довжина одного полімерного волокна була в середньому 30 мікрометрів, а діаметр - 190 нанометрів.
Готові брусочки автори випробували в ролі конденсаторів. До них прикріпили металеві контакти, як електроліт використовували водний розчин сірчаної кислоти або гель на основі полівінілового спирту і сірчаної кислоти, а для захисту електродів - епоксиду плівку. Конденсатор на основі гелевого електроліту продемонстрував ємність 1,38 фарад на кубічний сантиметр, причому 90 відсотків вихідної ємності зберігалося після 10000 циклів перезарядки. У разі використання рідкого електроліту ємнісні характеристики була вище (ємність до 2,84 фарад на кубічний сантиметр максимальне видається напруга 2,6 Вольта, пристрій зміг живити світлодіод протягом однієї хвилини, як видно на відео), проте пристрої виявилися менш стабільними. Втім, автори не проводили повної оптимізації всіх складових частин конденсатора, тому надалі характеристики, швидше за все, можна буде поліпшити.
Звичайно, цегляні електроди навряд чи будуть використовуватися в мобільних пристроях, однак вони можуть знайти застосування в стаціонарних конденсаторах - в цьому випадку вага пристроїв неважлива, а ось низька ціна і відмінна механічна міцність можуть виявитися вирішальною перевагою. Крім того, автори пропонують використовувати цегляні конденсатори для будівництва житлових будинків або їх частин - механічні властивості від покриття полімером не погіршуються, тому така стіна може одночасно служити і несучою конструкцією і конденсатором. За розрахунками авторів, подібна стіна може мати ємність 11500 фарад на квадратний метр поверхні.
У квітні вчені зі США перетворили залишки поліетилентерефталатних пляшок на сировину для виробництва метал-іонних акумуляторів. Змішавши поліетилентерефталат з гідроксидом натрію і обробивши суміш мікрохвильовим випромінюванням, вчені зуміли отримати з нього терефталат натрію - перспективний матеріал для анодів натрій-іонних акумуляторів.