Новости химической науки > Отходы серы – в новые источники питания

Исследователи из Университета Аризоны заявляют, что новый химический процесс может использоваться для конверсии отходов серы в легкий полимерный материал, который позволит создать более эффективные источники питания для электромобилей.

Как отмечает руководитель исследования, Джеффри Пюн (Jeffrey Pyun), новый полимер получается в результате достаточного простого и выгодного процесса, помимо использования в источниках питания новый материал также сможет найти и другие области применения – например, в оптических устройствах.

Исследователи подчеркивают, что новое поколение литий-серных аккумуляторов (Li-S-аккумуляторов) более пригодны для применения в электромобилях и машинах с гибридным двигателем, их можно будет применять и для военных целей – дело в том, что эти источники питания отличаются большей эффективностью, меньшим весом и меньшей ценой, чем существующие устройства подобного назначения. Большие перспективы нового полимерного материала обуславливаются, в том числе и тем, что его можно производить с помощью простого и дешевого процесса в промышленных масштабах. Результаты исследования исследователей из Аризоны могут найти новое применение для серы, остающейся после очистки нефти и газа и получения чистого топлива для двигателей внутреннего сгорания.

Рисунок из Nature Chemistry, 2013; DOI: 10.1038/nchem.1624

Хотя в настоящее время сера и используется в ряде практически ценных процессах, количество серы, накапливающееся в результате очистки ископаемого топлива, значительно превосходит потребности в этом веществе – у некоторых нефтеочистительных сооружениях уже скопились желтые горы из отходов серы. По оценкам исследователей, на 100 литров бензина, производящегося из ископаемого топлива, образуется около 300 грамм серы.

Чтобы решить проблему с отходами серы, Пюн решил разработать способ применения дешевой серы в изготовлении эффективных литий-серных источников питания. Исследователи из его группы решили использовать принципиально новый процесс – конверсию жидкой серы в практически полезный полимерный материал, который может легко производиться в промышленных масштабах.

Тем не менее, работа с серой характеризуется рядом сложностей – сера не склонна к образованию устойчивых полимерных цепей, необходимых для изготовления термопластичного полимера, кроме того, большая часть материалов не растворяется в сере. На первом этапе Пюн с коллегами идентифицировал ряд из двадцати соединений – винильных мономеров, которые, наиболее вероятно, могли бы образовывать полимеры с серой и приготовились проводить тестирование каждого из этих материалов один за одним.

Исследователям повезло – первое же из веществ в списке – 1,3-диизопропенилбензол, «сработало», самое интересное, что при дальнейшем изучении все остальные кандидаты оказались бесполезными для получения полимерных материалов. Тем не менее, в том числе и для изучения химических свойств жидкой серы, исследователи провели эксперименты со всеми фигурантами списка. Обнаруженный процесс взаимодействия элементной серы с 1,3-диизопропенилбензоломполучил название «инверсной вулканизации» (inverse vulcanization), поскольку в отличие от обычной вулканизации каучуков в данном случае сера берется в значительном избытке по отношению к органическим веществам.

Источники питания, в которых применяется новый полимерный материал, отличаются гораздо большей эффективностью, чем литий-серные источники питания на основе элементной серы – такие электрохимические системы, в которых материалом катода является просто сера, могут быть использованы лишь ограниченное число раз – такие катоды быстро разрушаются в ходе повторения циклов зарядки/разрядки.

Электрохимические свойства нового полимерного материала значительно превосходят свойства элементной серы, применяющейся в настоящее время в литий-серных батареях. Полученные исследователями аккумуляторы демонстрируют высокую емкость (823 мА˙ч/г в течение 100 циклов разрядки/зарядки). По словам Пюна, ряд компаний уже проявляют интерес, как к новому полимерному материалу, так и к новым источникам питания.

Источник: Nature Chemistry, 2013; DOI: 10.1038/nchem.1624

метки статьи: #вопросы экологии, #новые материалы, #органическая химия, #химическая технология, #химия полимеров