Zespół badaczy z Cornell University, prowadzony przez prof. Emmanuela Giannelisa i postdoktoranta Nikolaosa Chalmpesa, dokonał przełomu w dziedzinie materiałoznawstwa. Wykorzystując reakcje hipergoliczne, powszechnie stosowane w technologii kosmicznej, uczeni opracowali węgiel o imponującej powierzchni właściwej 4800 m2/g. To powierzchnia porównywalna do boiska piłkarskiego, zamknięta w objętości jednej łyżeczki.
Stworzono materiał o rekordowej powierzchni
Reakcje hipergoliczne, wykorzystywane dotychczas w napędach rakietowych, polegają na gwałtownym połączeniu paliwa i utleniacza. Chalmpes postanowił zastosować ten proces w syntezie węgla. Efektem są węglowe tuby z unikalną strukturą molekularną, zbudowane głównie z pierścieni pięciowęglowych zamiast sześciowęglowych. Zmiana kątów wiązań atomowych zwiększa stabilność i porowatość materiału.
Czytaj też: Naukowcy opracowali materiał który zachowuje się jak bateria
Podczas reakcji tuby węglowe samoorganizowały się na wcześniej przygotowanym szablonie, co nadawało strukturze odpowiedni kształt. Kolejnym krokiem było pokrycie struktury wodorotlenkiem potasu, który usuwał niestabilne fragmenty, pozostawiając tysiące mikroskopijnych porów. Dzięki szybkości reakcji materiał osiąga konfigurację metastabilną, niemożliwą do uzyskania w tradycyjnych procesach chemicznych.
Nowy materiał wykazuje wyjątkowe właściwości zarówno w adsorpcji dwutlenku węgla, jak i magazynowaniu energii. W procesie wychwytywania CO2 potrafi związać 99 proc. swojej maksymalnej pojemności w zaledwie dwie minuty, co stanowi niemal dwukrotnie lepszy wynik niż w przypadku obecnych węgli aktywowanych. Jednocześnie jego zdolność do przechowywania energii przewyższa czterokrotnie standardowe rozwiązania, osiągając gęstość na poziomie 60 watogodzin na litr. Te właściwości sprawiają, że materiał ten jest idealnym kandydatem do zastosowań w superkondensatorach.
Dr Nikolaos Chalmpes mówi:
Nasze podejście otwiera nowe możliwości projektowania materiałów węglowych do zastosowań takich jak sorbenty, nośniki katalizatorów czy elementy aktywne w superkondensatorach. Ponadto, reakcje hipergoliczne mogą być wykorzystane do projektowania zaawansowanych elektrokatalizatorów.
Nowatorskie podejście opisane w ACS Nano pokazuje, jak technologia rakietowa może znaleźć zastosowanie w zupełnie innych dziedzinach. Hipergoliczny węgiel o ultrawysokiej powierzchni może stać się kluczowym elementem walki z globalnym ociepleniem i rozwoju technologii energetycznych.