Исследователи разработали уникальный материал на основе углерода, который обладает рекордной площадью поверхности и может поглощать в два раза больше CO₂, чем существующие активированные формы углерода. Кроме того, новый материал демонстрирует впечатляющие возможности для хранения энергии.
Основой для этой разработки послужили так называемые гиперголические реакции, широко применяемые в ракетной технике. Эти реакции, возникающие при контакте топлива и окислителя, отличаются высокой интенсивностью и используются для обеспечения движения космических аппаратов. Например, одна из популярных комбинаций — это гидразин и тетраоксид диазота.
Однако в Корнелльском университете постдокторский исследователь Николаос Халмпес нашел иной способ применения этих мощных реакций. Совместно с профессором Эммануэлем Джаннелисом он задался целью использовать их для создания пористого углерода, что значительно увеличивает площадь его поверхности и улучшает способность к хранению энергии и улавливанию углекислого газа.
«Я хотел понять, как контролировать эти мощные реакции для синтеза различных углеродных наноструктур. После настройки параметров мы обнаружили, что можем достичь сверхвысокой пористости», — рассказал Халмпес.
Результаты оказались впечатляющими: ученые создали углерод с площадью поверхности 4800 квадратных метров на грамм — это эквивалентно размеру футбольного поля, сжатого до объема чайной ложки. «Насколько нам известно, это самый высокий показатель, зафиксированный в научной литературе», — отмечают исследователи.
Секрет успеха
Ключ к уникальным свойствам нового материала кроется в структуре его углеродных трубок. Вместо привычных молекулярных колец из шести атомов углерода гиперголическая реакция формирует кольца из пяти атомов. Это изменяет углы молекулярных связей, повышая стабильность структуры.
В процессе реакции трубки самособираются на специально созданном шаблоне, который задает их форму. После этого структура обрабатывается гидроксидом калия, что удаляет менее стабильные элементы и оставляет тысячи микропор.
«Гиперголическая реакция происходит настолько быстро, что система не успевает прийти в энергетически устойчивое состояние, как это обычно бывает при более медленных реакциях», — пояснил Джаннелис.
Улавливание углекислого газа
Эксперименты показали, что новый материал способен захватывать 99% углекислого газа от своей полной емкости всего за две минуты. Этот показатель вдвое превышает возможности современных активированных форм углерода. Кроме того, новый углерод продемонстрировал в четыре раза большую энергоемкость — 60 ватт-часов на литр.
«Этот метод предлагает альтернативный подход к созданию углеродных материалов, которые могут использоваться в качестве сорбентов, катализаторов и активных элементов суперконденсаторов, особенно в условиях ограниченного пространства», — отметил Халмпес.
Полученные результаты также открывают новые перспективы в разработке углеродных электрокатализаторов с улучшенными характеристиками.
Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.
