Учёные НИТУ МИСИС и НИИ ПМТ разработали новый способ получения углеродных материалов из хлопковых отходов, сокращающий время процесса до нескольких минут вместо привычных полутора часов. Полученные этим методом материалы можно использовать в суперконденсаторах — устройствах для быстрого накопления и отдачи энергии, востребованных в электронике, транспорте и системах хранения энергии.
По параметрам суперконденсаторы занимают промежуточное место между обычными конденсаторами и аккумуляторами. Они способны очень быстро заряжаться и разряжаться, выдерживают десятки тысяч рабочих циклов. Их характеристики во многом зависят от материала электродов — и для их изготовления зачастую используют активированный уголь, традиционное производство которого требует существенных затрат времени и энергии.
Учёные МИСИС и НИИ ПМТ предложили альтернативу традиционным методам его получения. Вместо длительного нагрева в печах исследователи применили микроволновую обработку в специальном волноводе в режиме бегущей волны. В такой системе микроволновое излучение эффективно поглощается всем образцом, а это позволяет нагревать материал быстро и по всему объёму. В качестве исходного сырья они использовали хлопковые отходы текстильного производства — доступный и возобновляемый материал с высоким содержанием углерода.
«Весь процесс превращения исходного хлопка в углерод и формирования пористой структуры занял менее пяти минут. Для сравнения: классическая термическая обработка требует более полутора часов и значительно больших энергозатрат. Полученные углеродные материалы имеют развитую иерархическую пористую структуру», — отметил ассистент кафедры физической химии НИТУ МИСИС, младший научный сотрудник НИИ ПМТ Валентин Берестов.
У традиционных аналогов преобладают очень мелкие поры, в которые ионам электролита сложно быстро проникать, а в новом материале формируется удачное сочетание и мелких, и более крупных каналов. Это облегчает движение ионов внутри электрода и повышает эффективность работы суперконденсатора, особенно при высоких нагрузках.
Испытания показали, что образцы сохраняют более 95% ёмкости даже после 20 тысяч циклов зарядки и разрядки. При высоких токах они демонстрируют более высокие характеристики, чем активированные угли, полученные традиционным способом. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of Energy Storage (Q1).
«Микроволновое излучение и раньше использовали для получения активированного углерода, но обычно это делается в так называемых печах резонаторного типа — по конструкции почти таких же, как обычные бытовые печи-микроволновки. И в этом случае по скорости получения или качеству материала результат не всегда превосходил традиционные методы. В нашей работе предложено оригинальное техническое решение: облучать образец в волноводе. Это позволяет радикально повысить скорость получения материала с нужными свойствами, а использование для этого текстильных отходов снижает нагрузку на окружающую среду и соответствует концепции экономики замкнутого цикла, где отходы становятся ресурсом», — добавил к.ф.-м.н. Илья Кречетов, доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС.
Технология может быть масштабирована и адаптирована под другие виды биомассы. В перспективе это открывает путь к быстрому и экологичному производству материалов для систем хранения энергии нового поколения — от портативной электроники до электротранспорта и промышленной энергетики.
