Современные направления научных исследований

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные направления научных исследований

Базовыми исследованиями в области химической энергетики являются:

- создание физико-химических основ разработки и применения альтернативных источников, преобразователей и накопителей энергии различного вида;

- разработка принципов и вариантов применения нанотехнологий в энергосбережении,

- развитие новых энергетических технологий применения возобновляемых природных и вторичных источников малой удельной плотности (солнечные батареи, геотермальные и ветровые установки, волновые, приливные и свободнопоточные гидроэлектростанции, переработка биомассы) с запасанием и хранением энергии в виде водорода или высокоэффективных электрохимических источников тока, топливных элементов, суперэнергоемких накопителей энергии (аккумуляторы, конденсаторы), установок когенерационного типа, разрабатываются комплексные ветроэнергоустановки инфраструктуры для становления и развития водородной энергетики.;

-- Разработка и синтез новых нанокомпозитных соединений и материалов с заданными электрофизическими, магнитными, механическими, теплофизическими и другими свойствами для применения в качестве функциональных и конструкционных элементов, защитных покрытий и катализаторов в энергетических установках широкого спектра.

Органические гидрогели не оставляют шанса углеродным электродам в суперконденсаторах

Суперконденсаторы - устройства, которые могут хранить и высвобождать электроэнергию они дополняют собой батареи в схемах сохранения и доставки электричества, поскольку способны обеспечить отдачу энергии в виде быстрых импульсов. К примеру, они используются в качестве вспомогательных устройств для разгона экспериментального авто Honda FCX на водородных топливных элементах. С другой стороны, суперконденсаторы содержат меньше энергии в расчёте на единицу объёма (плотность энергии) в сравнении с типичной батареей, то есть и ёмкость такого устройства в значительной степени ограничена.

Однако замена материала электрода позволяет увеличить ёмкость суперконденсатора -- а значит, и плотность запасаемой энергии.

Исследователи из Стэндфордского университета (США) разработали и синтезировали гидрогель на основе водорастворимого проводящего полимера. При его использовании в качестве электродов суперконденсатора удалось достичь в три раза более высокой ёмкости по сравнению с обычными углеродными суперконденсаторами. Важно и то, что суперконденсаторы на основе нового материала будут дёшевы в производстве и эксплуатации.

Гидрогель разноцветный

Типичные суперконденсаторы, состоящие из двух близко расположенных электродов из пористого углерода, способны быстро заряжаться и разряжаться. Отрицательные ионы из электролита концентрируются внутри пор положительного электрода, а положительные находят приют внутри анода. Именно это явление разделения ионов в порах графита и позволяет запасать энергию в качестве разности потенциалов между соседними электродами. Помимо запасания ионов, суперконденсаторы на основе проводящих полимеров обладают дополнительной формой ёмкости, называемой «псевдоёмкостью»..

Одним из наиболее популярных проводящих полимеров является полианилин. Именно его полимерные цепи и были взяты за основу калифорнийскими учёными. На фотографии, полученной со сканирующего электронного микроскопа, гидрогель на основе такого «водорастворимого» полианилина выглядит как пена, пористая структура которой обеспечивает новый материал с высокой площадью поверхности для удержания ионов и зарядов.

Для создания самого суперконденсатора на основе подготовленного гидрогеля исследователи покрыли им две углеродные пластины и пропитали получившиеся электроды разбавленным раствором серной кислоты. Затем они установили новые электроды на место старых графитовых и измерили величину заряда, которую способен удерживать получившийся суперконденсатор.

Несмотря на то что обычные электроды на основе полианилина теряют от 25 до 40 процентов своей ёмкости при зарядке током высокой плотности, новое устройство сохраняло не менее 93% ёмкости при проведении быстрой зарядки током, плотность которого в 10 раз превышала стандартную. Кроме того, новый суперконденсатор сохранял не менее 83% своей начальной ёмкости после 10 тыс. циклов перезарядки током высокой плотности, что как минимум в 10 раз больше, чем для других анилиновых электродов.

Поскольку новый материал состоит в основном из полианилина, вся структура способна проводить электричество. А синтез самого гидрогеля -- чрезвычайно простая процедура, требующая лишь смешения двух растворов, первый из которых содержит анилин и сахарный линкер, а второй -- подходящий окислитель, запускающий полимеризацию. После смешения гидрогель готов через три минуты.

Аминборановое производное остается стабильным при нагревании до достаточно высоких температур.

Водородная энергетика на сегодня один из основных путей развития альтернативной энергетики. Расскажем подробнее о последних достижениях в этом направление.

Газообразный водород рассматривается в качестве перспективного альтернативного источника энергии, не приводящего к загрязнению окружающей среды, однако без разработки методов безопасного хранения этого газа водородные топливные элементы не могут стать достаточно практичными для широкомасштабного применения. Для решения ряда практических задач хранимый газ должен сохранять стабильность в течение длительного времени, иногда находясь под воздействием экстремально высоких температур. Исследователям удалось создать систему для хранения газообразного водорода, которая не разлагается при нагревании до 150°C.

В присутствии рутениевого катализатора bis-BN-циклогексан (слева) при комнатной температуре высвобождает четыре эквивалента водорода за 15 минут, образуя в качестве дополнительного продукта каркасное соединение (справа).

Ши-Юан Лю (Shih-Yuan Liu), специалист по металлоорганической химии, и его коллеги работали над синтезом аминборановых производных, способных к запасанию и высвобождению молекулярного водорода. Аминбораны отличаются относительно высокой емкостью по водороду и могут быстро высвобождать H2, однако, как правило, эти вещества недостаточно устойчивы при высоких температурах.

Исследователи синтезировали новое соединение - бис-BN-циклогексан - в три стадии. Емкость запасания водорода этой молекулой составляет 4.7% по массе. Соединение, которое является первым примером BN-изостерического аналога циклогексана, содержит два фрагмента BN и не разлагается до температуры 150°C ни в растворе, ни в кристаллическом состоянии.

Тем не менее, полученное соединение может быть активировано для быстрой десорбции водорода при комнатной температуре - такое разложение протекает в результате каталитической активации. Так, если добавить к раствору бис-BN-циклогексана в тетрагидрофуране рутениевый катализатор, аминборан в течение 15 минут выделяет 4 эквивалента водорода, не образуя при этом других газообразных веществ, способных загрязнить образующийся H2. Элементоорганическими продуктами разложения аминборана после высвобождения водорода являются два каркасных соединения с группой симметрии S4.

Как отмечает Лю, для применения в топливных ячейках автомобилей исследователям нужно будет модифицировать соединение, поскольку цель, которую поставило Министерство Энергетики США - добиться к 2017 году создания твердотельного аккумулятора водорода, способного запасать не менее 5.5 топлива по массе. Тем не менее, уже сейчас новое вещество может быть использовано для решения других задач - например для длительной консервации водорода в целях создания резервных источников энергии.

Новый материал для солнечных батарей

суперконденсатор батарея гидрогель химический

Новый способ контролировать рост кристаллических структур, называемых перовскитами, может привести к получению фотоэлементов для солнечных батарей, которые будут сочетать в себе высокую эффективность и низкую стоимость.

Первые фотоэлементы из перовскита появились в 2009 году, и лучшие образцы могли преобразовать в электричество до 17.9% солнечной энергии. Элементы, которые используются в настоящий момент (например, кремниевые пленки), перерабатывают около 20% энергии, но их производство значительно более энергоемко и дорого.

Сделать же высококачественные фотоэлементы на перовскитах оказалось непростой задачей, так как очень трудно создать ячейки с одинаковыми свойствами. Проблема вызвана различиями в размерах кристаллов: поскольку для электронов границы между кристаллами как стены, то кристаллы большего размера создают меньше препятствий для электрического тока.

Контроль за ростом кристаллов перовскита позволил справиться с этой проблемой. Процесс состоит из двух этапов: сначала поверхность покрывают йодидом свинца и дают ему высохнуть, затем покрывают раствором йодида метиламмония и снова дают высохнуть. В итоге компоненты двух слоев образуют кристаллы перовскита необходимого размера. Химики Михаэль Грэтцель (Michael Grдtzel) из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны и Нам-Гью Парк (Nam-Gyu Park) из Университета Сонгюнгван (Корея) разработали способ выращивать крупные кристаллы, тщательно отмеряя концентрации растворов и регулируя прочие условия. Средняя эффективность их фотоэлементов составляет 16.4% и имеет очень небольшой разброс. Грэтцель считает, что это не предел и надеется достигнуть 20% в ближайшее время. Парк говорит, что из-за влажности материал разрушается, и эту проблему еще предстоит решить. Кроме того, используемый в изготовлении свинец токсичен.

Параллельно исследовательская группа из Северо-Западного университета (США) разрабатывает перовскит, в котором свинец заменен оловом. Пока материал имеет эффективность лишь 6%, но исследователи настроены оптимистично, ведь свинцовые перовскиты начинали с 3% и за 5 лет увеличили свою эффективность почти в 6 раз.

Размещено на Allbest.ru