Сборная чистых нанотрубок играет на поле супербатарей
Новое достижение химиков когда-нибудь приведёт к исчезновению хороших батареек. Вместо покажутся аккумуляторы и топливные элементы, каковые будут перезаряжаться в считанные секунды и работать наряду с этим годами. Надежда – на микроскопические объекты, каковые находят всё более широкое использование в самых различных областях науки и техники.
В далеком прошлом как мы знаем, что углеродные нанотрубки (carbon nanotube — CNT), эти микроскопические цилиндры из одноатомных слоёв углерода, способны проводить и хранить заряд. Причём по этим показателям они существенно превосходят вторых собственных углеродных «собратьев». Громадная суммарная площадь поверхности таких трубок разрешает применять их для батарей и конденсаторов, каковые имели возможность бы по многим параметрам превзойти современные аналоги.
Но на пути учёных к столь желанной цели стоит неприятность сбора нанотрубок в один упорядоченный массив со строго определёнными особенностями.
На данной фотографии продемонстрирован поперечный разрез плёнки из 20 двойных слоёв нанотрубок, снятый посредством сканирующего электронного микроскопа (SEM). Прекрасно видна структура плёнки: трубки не ложатся параллельно поверхности, а направлены в различные стороны, образуют взаимопроникающую структуру, снабжающую пористость примера (фото Journal of the American Chemical Society).
Разные добавки, которыми объекты «склеивают» (к примеру, для нанесения на электроды), воздействуют на предстоящую работу устройств на их базе. И далеко не всегда хорошим образом. В случае если же их собирать без применения вторых веществ (физическими способами), то между отдельными нанотрубками остаются через чур большие расстояния (высокая пористость), что кроме этого отражается на особенностях.
Итог: оба существующих подхода к созданию плёнок на базе углеродных нанотрубок приводят к ухудшению электрических особенностей ёмкости и – конечного продукта проводимости.
Многие научные группы в мире борются с этими эффектами. Но в Массачусетском технологическом университете (MIT), в лаборатории под управлением доктора наук Полы Хаммонд (Paula Hammond) и доктора наук Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn), в первый раз были взяты чистые, плотные, узкие плёнки из многослойных углеродных нанотрубок (MWNT).
Многослойные углеродные нанотрубки имеется не что иное, как «матрёшка» из нескольких однослойных трубочек (SWNT), положенных одна в другую.
Уже пара лет научная несколько Хаммонд и Шао-Хорн трудится над послойным способом сборки таких плёнок (layer-by-layer assembly) и достигла в данной области впечатляющих результатов.
Схематическое изображение процесса синтеза (иллюстрация Journal of the American Chemical Society).
Статья авторов, посвящённая данному изучению, размещена в Journal of the American Chemical Society, её кроме этого возможно скачать тут (PDF-файл, 652 килобайта).
Для начала микроскопические объекты дробят на две порции и создают на их базе два раствора: в одном к ним присоединяются положительно заряженные молекулы (итог: MWNT-NH2), в другом – отрицательно заряженные (MWNT-COOH).
После этого исследователи поочередно окунают подложки (один из вариантов: кремниевые) в соответствующие растворы. Отличие зарядов ведет к образованию ровных узких плёнок, в которых многослойные углеродные нанотрубки держатся приятель за приятеля без каких-либо клеящих веществ. Благодаря наличию зарядов решается и вторая распространённая неприятность: трубки не слипаются в комочки, поскольку одинаково заряженные объекты отталкиваются друг от друга.
Толщина взятых плёнок зависела от pH растворов, в каковые опускалась подложка.
Сверху продемонстрирована зависимость толщины взятых плёнок от pH растворов (зафиксирован показатель раствора положительно заряженных молекул). Видно, что по мере повышения pH второго раствора толщина понижается.
Снизу – цифровая фотография взятых образцов. Тут n – количество двойных слоёв в плёнке (MWNT-NH2/MWNT-COOH)n (фото Journal of the American Chemical Society).
Полученные плёнки снимались с подложки и отправлялись в печь. В атмосфере водорода при 300 °С все оставшиеся функциональные группы удалялись с поверхности, оставались только чистые углеродные нанотрубки без каких-либо добавок.
Поры составляли порядка 35-43% количества плёнки (в будущем при создании аккумуляторная батарей их заполнят литием либо жидким электролитом).
По окончании отжига учёные замечали падение сопротивления на 82% и маленькое уменьшение толщины плёнок (в среднем на 10%). Напомним, что проводимость взятых образцов была однако выше, чем у ультратонких проводящих плёнок на базе вертикально расположенных однослойных углеродных нанотрубок, но тот же показатель был ниже, чем у электродов на базе композитного материала (полимер из всё тех же SWNT).
Что же касается ёмкости (среднее значение 159±10 Ф/г), то тут новым плёнкам практически нет равных, отмечает Ян Шао-Хорн. А это значит, что устройства на базе созданных в её лаборатории объектов сохранят собственную работоспособность продолжительнее, будут заряжаться стремительнее и владеть большей если сравнивать с аналогами выходной мощностью.
Фотография, полученная посредством ядерного силового микроскопа (AFM), демонстрирует взятую разветвлённую сеть связанных между собой нанотрубок (средний диаметр 15±5 нанометров). Размер изображения 4 х 4 микрометра (фото Journal of the American Chemical Society).
Учёные сравнивают собственное детище с электродами, на каковые похожим послойным способом был нанесён композитный материал (полимер и нанотрубки). Но полимер неимеетвозможности по проводимости сравниться с микроскопическими объектами из атомов углерода, потому и неспециализированный показатель таких плёнок «хромает». В случае если же в качестве сравнения брать электроды, на которых был выращен «лес» вертикально стоящих однослойных нанотрубок, то их массив получается не хватает плотным.
Ещё одним несомненным преимуществом новых плёнок есть возможность модификации их поверхности (в ходе синтеза возможно варьировать параметры, к примеру pH растворов либо количество двойных слоёв, что приведёт к трансформации черт конечного материала). При со связующим веществом это сделать сложнее, поскольку оно практически не разрешает изменять свойства поверхности.
Имеется и недочёт, с которым химики из MIT до тех пор пока ещё не смогли совладать: способ послойной сборки плёнок занимает большое количество времени. Толщина обычных электродов порядка 10-100 микрометров, а несколько Хаммонд создаёт плёнки толщиной всего лишь в один микрометр.
Но, работа не следует на месте, и учёные двигаютсяв направлении улучшения разработки, разрабатывая методику нанесения на подложку раствора в виде аэрозоля. Таковой подход сократил бы время на создание плёнок в разы, говорит Шао-Хорн, а это крайне важно для коммерциализации производства.
В MIT над подобными проектами трудятся и в лаборатории доктора наук Джоэла Шиндалла (Joel Schindall). Тут разработке ищут использование на практике, пробуя заменить ультраконденсаторами на базе массива нанотрубок батареи гибридных машин (фото Erik Sofge/popularmechanics.com).
Эта разработка – не уникальная, и изучения будут длиться кроме того тогда, в то время, когда на рынок выйдет готовый продукт. Однако как раз у данной лаборатории имеется все шансы получить от этого большую пользу.
