Российские ученые разработали новый способ получения двумерных материалов на основе титана и углерод. Такие материалы могут использоваться при создании электродов в системах накопления энергии электромобилей и системах электропитания летательных аппаратов. Предложенный подход, в отличие от аналогов, не требует высоких температур и позволяет защитить материалы от окисления кислородом воздуха. Новая технология даст возможность получать сравнимые с коммерческими аналогами накопители энергии. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журналеDalton Transactions.
Современная электроника требует разработки компактных и высокоэффективных систем накопления энергии, например суперконденсаторов. Уменьшить размеры и повысить эффективность таких приборов можно, используя двумерные материалы в качестве электродов — устройств, проводящих ток. Эти соединения обладают слоистой структурой — она обеспечивает большую площадь поверхности, необходимую для взаимодействия ионов и накопления энергии в электродах. Однако синтез двумерных материалов требует дорогостоящего оборудования, что значительно ограничивает их массовое производство.
Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов) и Института химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН (Новосибирск) предложили новую технологию синтеза двумерных соединений — максенов, — состоящих из атомов титана и углерода. Поскольку максены часто используются для электродов в накопителях электрохимической энергии, авторы выбрали именно их. На первом этапе химики получили материал-предшественник, в котором, помимо титана и углерода, присутствовали атомы алюминия. Синтез проводили в расплаве солей хлоридов калия и натрия в атмосфере воздуха при температуре 1250ºС (на 250ºС ниже, чем использовалась раньше). Расплав солей позволил избежать окисления материала кислородом воздуха, а также облегчил распределение реагентов в расплаве при относительно низких температурах.
На следующем этапе исследователи в течение суток обрабатывали соединения с алюминием смесью, содержащей соляную кислоту и соли фтора, при температуре 140ºС. Это позволило удалить атомы алюминия и разделить двумерные слои карбида титана, которые были ими связаны, на тонкие хлопья размером в тысячные доли миллиметра. Затем химики нанесли суспензию из таких хлопьев на медную подложку и высушили ее, в результате чего получили гибкую пленку на основе синтезированного соединения.
Ученые измерили электрохимическую емкость — способность накапливать электрический заряд — полученных материалов и выяснили, что она в два раза выше аналогов, используемых в производстве. Таким образом, простая, недорогая и масштабируемая технология получения, а также многообещающие электрохимические характеристики доказывают конкурентоспособность полученного материала.
«Максены — перспективный по своим свойствам класс двумерных материалов. Однако их применение в промышленности или даже синтез в других химических лабораториях ограничен рядом сложных операций. Наша работа демонстрирует, что в лаборатории с типовым оснащением можно получить максены высокого качества. Мы предложили масштабируемый синтез перспективного материала для электрохимического накопления энергии, вскоре завершим работы по диэлектрическому отклику — реакции твердых веществ на переменный ток — в композитных материалах с применением максенов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Николай Горшков, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Фото: © Николай Горшков
Источник: Пресс-служба РНФ