Ученые превращают органические отходы в аккумуляторы
Группа исследователей из Северо-Западного университета (Northwestern University) создала устойчивую инновацию, превратив органические промышленные отходы в эффективный агент хранения. Хотя уже было несколько работ, направленных на преобразование промышленных отходов в батареи, этот новый подход использует молекулу отходов — трифенилфосфиноксид (TPPO).
Почти все устройства, даже автомобили, теперь используют батареи, в которых используются такие металлы, как литий и кобальт. Поскольку эти металлы добываются путем интенсивной и инвазивной добычи, отказ от решений на основе металлов в батареях имеет решающее значение для содействия переходу на зеленую энергию.
В результате процессов промышленного органического синтеза ежегодно образуются тысячи тонн отходов, которые в конечном итоге становятся бесполезными и подлежат тщательной утилизации.
Новое исследование, опубликованное в журнале Американского химического общества, использует реакцию «one-pot» для преобразования TPPO в пригодный к использованию продукт с потенциалом для хранения энергии. Это достижение может открыть новые пути для разработки органических проточных батарей из отходов.
Проточные окислительно-восстановительные батареи (RFB) — это перезаряжаемые батареи, в которых химическая энергия обеспечивается двумя химическими компонентами, растворенными в жидкостях. Литиевые или другие твердотельные батареи хранят энергию в электродах, в отличие от проточных окислительно-восстановительных батарей. Хотя проточные окислительно-восстановительные батареи не так эффективны, как последние, они могли бы предложить гораздо лучшее решение в масштабе сети.
«В исследованиях аккумуляторов традиционно доминируют инженеры и материаловеды. Химики-синтетики могут внести свой вклад в эту область, молекулярно преобразовав органические отходы в молекулы, аккумулирующие энергию» — говорит ведущий автор Кристиан Малапит. «Наше открытие демонстрирует потенциал преобразования отходов в ценные ресурсы, предлагая устойчивый путь для инноваций в области аккумуляторных технологий».
Традиционно считалось, что органические молекулы сложно оптимизировать для плотности энергии и стабильности. Поэтому исследователи с нетерпением ждали решения, которое бы плотно упаковывало электроны, не теряя при этом емкости хранения. Команда ученых нашла стратегию из статьи 1968 года, в которой описывалась электрохимия фосфиноксидов.
Чтобы оценить устойчивость молекулы как потенциального агента хранения, ученые провели эксперименты по статической электрохимической зарядке и разрядке. Даже после 350 циклов заряда и разрядки батарея сохраняла замечательную работоспособность и емкость с течением времени.
«Это первый случай использования фосфиноксидов — функциональной группы в органической химии — в качестве окислительно-восстановительного компонента в исследовании аккумуляторов. Традиционно восстановленные фосфиноксиды крайне нестабильны. Наш подход молекулярной инженерии решает эту нестабильность, прокладывая путь для их применения в хранении энергии».
Исследование было опубликовано в Journal of the American Chemical Society.