Mokslo ir technologijų pasaulis

Mokslininkai iš JAV Energijos departamento, priklausančio Brukhaveno nacionalinei laboratorijai (U.S. Department of Energy's Brookhaven National Laboratory), paaiškino kodėl grafenas veikia kaip labai stipriai elektros krūvį sugerianti kempinė. Naujai sukurta medžiaga, neseniai sukurta Teksaso-Austino universitete (The University of Texas – Austin), gali būti panaudota „supertalpiuose“ energijos saugojimo įrenginiuose, kurie taip pat pasižymi labai greitu energijos atidavimu, trumpu pakrovimo laiku ir ilgu gyvavimo laiku, siekiančiu iki dešimties tūkstančių kartų pakrovimo ir iškrovimo ciklų.

„Šios savybės daro šią naują anglies formą ypač patrauklią elektros energijos saugojimui, kai reikia labai greitai atiduoti saugomą energiją, pavyzdžiui, elektros transporto priemonėse, arba siekiant išlyginti energijos tiekimą iš su pertrūkiais dirbančių energijos šaltinių, tokių kaip vėjas ir saulės energija“, – paaiškino Brukhaveno laboratorijos medžiagų specialistas Erikas Stahas (Eric Stach), kuris taip pat yra vienas iš straipsnio, aiškinančių naująją medžiagą, bendraautorių. Straipnis atspausdintas „Science“ žurnale.

Superkondensatoriai yra panašūs į baterijas, nes abu saugo elektros krūvius. Baterijose tai vyksta per chemines reakcijas tarp metalinių elektrodų ir skysto elektrolito. Kadangi cheminėms medžiagoms reikia laiko, kad įvyktų sąveika, energija pakraunama ir atiduodama santykinai lėtai. Baterijos gali saugoti didelį energijos kiekį ir ją atiduoda per gana ilgą laiką.

Superkondensatoriai, iš kitos pusės, saugo krūvius jonų pavidalu elektrodų paviršiuje, panašiai kaip paprastuose kondensatoriuose. Superkondensatoriuose nevyksta cheminės reakcijos. Pakrovimo metu jonai elektrolite yra atskiriami, poliarizuojami. Krūviai yra saugomi sandūroje tarp elektrodų ir elektrolito. Poros elektroduose padidina paviršiaus sritį, per kurią elektrolitai gali tekėti ir sąveikauti. Todėl padidėja energijos kiekis, kurį gali saugoti sistema.

Tačiau kadangi superkondensatoriai negali saugoti tiek daug energijos kaip baterijos, jų panaudojimas buvo apribotas įrenginiuose, kuriems reikia mažesnio energijos kiekio, bet labai greitai. Superkondensatoriai naudojami ir įrenginiuose, kuriems svarbus didelis pakrovimo ir iškrovimo ciklų skaičius, pavyzdžiui, mobiliuose elektroniniuose įrenginiuose.

Naujoji medžiaga, sukurta Teksaso-Austino universiteto tyrėjų, tokią situaciją gali pakeisti. Superkondensatoriai pagaminti iš tokios medžiagos pasižymi energijos saugojimo talpa (energijos tankiu) artimu energijos tankiui švino rūgštinėse baterijose, bei dideliu galios tankiu, tai yra greitu energijos atidavimu, kas yra būdinga visiems superkondensatoriams.

„Ši nauja medžiaga apjungia abi elektros energiją saugojančių sistemų savybes, – pasakė grupės vadovas Rodnis Ruofas (Rodney Ruoff). – Mes esame labai apstulbinti tokiomis ypatingomis medžiagos savybėmis“.

Universiteto mokslininkai pradėjo kurti labiau porėtą anglies formą naudodami kalio hidroksidą, siekdami restruktūrizuoti chemiškai modifikuotus grafeno lakštus, tai yra vieno atomo storio anglies lakštus. Toks „cheminis aktyvavimas“ buvo anksčiau naudojamas kuriant įvairias „aktyvuotos anglies“ formas, kurios pasižymi porine struktūra. Porinė struktūra padidina medžiagos paviršiaus plotą ir yra naudojama filtruose bei kituose įrenginiuose, taip pat ir superkondensatoriuose.

Kadangi naujoji anglies forma gerai pasirodė superkondensatoriuose, mokslininkų grupė žinojo, kad jie turi apibrėžti jos struktūrą nanomatmenų masteliu. Ruofas iškėlė hipotezę, kad medžiaga yra sudaryta iš tolygiai išsidėsčiusio trimačio porų tinklo su vieno atomo storio sienelėmis. Sienelės sudarytos iš neigiamo kreivumo spindulio anglies atomų sluoksnių, kurie yra lyg sujungtos fulereno molekulės. Jis kreipėsi į Stahą tikėdamasis pagalbos toliau charakterizuojant struktūrą ir norėdamas patikrinti savo hipotezę. Stahas su kolegomis tyrė medžiagą didelės skiriamosios gebos mikroskopu.

„Mūsų tyrimai atskleidė, kad Ruofo hipotezė, iš principo, yra teisinga. Medžiagos trimatė nanostruktūra pasižymėjo didelio kreivumo vieno atomo storio sienelių spinduliu. Nanoporų dydis kito nuo vieno iki penkių nanometrų, tai yra milijardinės metro dalies“. Tiriant medžiagą gauti detalūs smulkių porų struktūros vaizdai.

„Mes vis dar dirbame su Ruofu ir jo grupe norėdami gauti pilną medžiagos struktūros aprašymą. Taip pat atlikome ir skaičiavimus siekdami suprasti, kaip šis trimatis tinklas susidaro. Tokiu būdu mes tikimės, kad bus įmanoma nustatyti optimalų porų dydį įvairiems taikymams, taip pat ir energijos saugojimui, katalizei bei kuro elementams“, – pasakė Stahas.

Tuo pačiu metu mokslininkai pabrėžė, kad naujos anglies formos gamybos metodas gali būti lengvai pritaikytas pramoninei gamybai. „Ši medžiaga yra gaminama iš vieno plačiausiai sutinkamo elemento Visatoje ir gali turėti didelę svarbą tolimesniems tyrimams bei technologijoms, skirtoms energijos saugojimui ir energijos konvertavimui“, – pasakė Ruofas.