Полимерные наногели удешевят современные накопители энергии и сделают их более экологичными
Серия образцов электрохимически активных соединений разной концентрации
© Михаил Назаров
Ученые разработали полимерные наногели для проточных батарей. Эти устройства вырабатывают электричество за счет химических реакций, протекающих в двух жидкостях, одна из которых отдает электроны, а другая принимает. Разработанные наногели могут заменить в проточных аккумуляторах дорогие и токсичные реактивы, а потому сделать такие батареи дешевле и экологичнее. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Electrochimica Acta.
В большинстве электронных устройств — телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах и других — используются литий-ионные аккумуляторы. Они требуют относительно частой перезарядки (раз в один или несколько дней), не всегда безопасны в эксплуатации и с течением времени могут начать разряжаться сами по себе, поэтому ученые ищут им альтернативы. Например, в последние годы активно развиваются проточные батареи — это гибридные аккумуляторы, которые состоят из двух емкостей, заполненных жидкостями, способными окисляться или восстанавливаться. Емкости разделяет тонкая мембрана, которая не позволяет жидкостям смешиваться, но пропускает содержащиеся в них ионы. Когда жидкости подходят к мембране, они химически взаимодействуют друг с другом, и в результате или окисляются (отдают электроны), или восстанавливаются (принимают электроны). Это приводит к выработке электрического тока.
Такие устройства более долговечны и экономичны, чем аналоги: их можно перезаряжать около 10 тысяч раз, тогда как литий-ионные аккумуляторы выдерживают не более тысячи циклов зарядки-разрядки, кроме того, они дольше держат заряд и не способны самовозгораться. Это позволяет использовать проточные батареи в приложениях, где требуется запасать большие количества энергии, например в промышленных и энергетических установках. Однако ученые все еще ищут оптимальные составы жидкостей для проточных аккумуляторов, поскольку традиционно в них используются экологически вредные и дорогие соли ванадия. В последнее время исследователи стали уделять внимание растворимым в воде полимерам, так как эти составы дешевые и абсолютно безопасные.
Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) разработали органические водорастворимые полимерные наногели, способные обратимо окисляться и восстанавливаться. Процесс включал два этапа. Сначала авторы химическим путем синтезировали наноразмерные полимерные сетки из отдельных водорастворимых мономеров (органических молекул). Затем к полученным соединениям исследователи «пришили» дополнительные группы атомов, способные принимать и отдавать электроны в химических реакциях. Такие группы называются окислительно-восстановительными, и они необходимы для протекания превращений, за счет которых происходит зарядка и разрядка органических проточных батарей.
Затем физики оценили скорость, с которой проходит окисление и восстановление молекул наногеля при различном содержании в них окислительно-восстановительных групп. Эксперименты показали, что концентрация таких групп должна составлять около 50% от общего содержания органических молекул в растворе. Именно при таких условиях наногели демонстрируют оптимальную работу в качестве основного электроактивного компонента, обеспечивая надежное функционирование водных органических проточных батарей.
«В нашей работе мы впервые синтезировали полимерные наногели с окислительно-восстановительными свойствами, продемонстрировали особенности реакций окисления и восстановления таких объектов в водной среде, а также определили, насколько эффективно проходит данный процесс и с какой скоростью. Полученные нами результаты могут стать основой для разработки более дешевых и экологичных аккумуляторов. В дальнейшем мы планируем расширить “библиотеку” химических соединений, применяемых для создания электроактивных наногелей, оптимизировать их состав и в итоге представить прототип проточного аккумулятора, где в качестве активного вещества используются водные растворы наногелей», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Кожунова, доцент физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
В исследовании также принимали участие ученые из Федерального исследовательского центра химической физики имени Н. Н. Семенова РАН (Москва), Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН (Москва) и Института биоорганической химии РАН (Москва).