Химики из США превратили красный кирпич в подложку конденсатора на основе проводящего полимера PEDOT. Подложка такого конденсатора должна иметь высокую удельную площадь поверхности и содержать в себе железо (III), которое нужно для окислительной полимеризации PEDOT — кирпич сочетает оба этих свойства, кроме того он прочный, дешевый и стабилен при высоких температурах. Конденсатор на основе нового материала выдержал 10000 циклов перезарядки, сохраняя 90 процентов своей емкости.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Обожженный красный кирпич люди умеют изготавливать уже более пяти тысяч лет — самые древние образцы обнаружены на территории Китая и относятся к периоду времен неолита. Такие кирпичи, изготавливают из глины с примесями соединений железа затем сушат и обжигают. Готовый кирпич имеет пористую структуру и состоит из оксида кремния SiO₂, оксида алюминия Al₂O₃ и гематита α-Fe₂O₃ — последний и придает материалу красновато-бурый оттенок.

Американские химики под руководством Хулио Д’Арси (Julio M. D’Arcy) из Университета Вашингтона предложили использовать красный кирпич в качестве подложки для конденсаторов из пленок проводящего полимера полиэтилендиокситиофена (PEDOT). В таких конденсаторах запасание энергии происходит за счет Фарадеевских реакций в проводящем полимере, а идея использовать для их создания кирпичные подложки — с одной стороны неожиданная, а с другой очень логичная.

Дело в том, что пленку PEDOT получают из соответствующего мономера 3,4 этилендиокситиофена (EDOT) с помощью окисления, а в качестве окислителя во многих работах используются соединения железа (III). Таким образом, необходимо сначала получить материал с высокой удельной площадью поверхности, затем нанести на его поверхность соединения железа, и только потом наносить пленку PEDOT.

Красный кирпич — пористый материал с большим количеством соединений железа (III) — по сути является готовой (и практически бесплатной по сравнению с используемыми сейчас материалами) подложкой для создания подобных конденсаторов. Кроме того, такой материал стабилен при нагревании и без проблем выдерживает температуру в 100–200 градусов Цельсия, при которой обычно проводят нанесение пленки PEDOT.

Авторы работали с образцами обыкновенного обожженного кирпича с массовой долей гематита около восьми процентов — его разрезали на небольшие брусочки, три раза промывали дистиллированной водой, и прокаливали при температуре 160 градусов Цельсия в течение часа, чтобы полностью удалить следы влаги из пор. Затем брусочки помещали в закрытый реактор, в котором также находилась емкость с концентрированной соляной кислотой и раствором EDOT в хлорбензоле и вновь нагревали до 160 градусов Цельсия.

Соляная кислота и EDOT при такой температуре испаряются и медленно оседают на поверхности пористого кирпича, при этом EDOT превращается в проводящий полимер PEDOT. Пары соляной кислоты выполняют в этом процессе сразу две функции — во-первых они помогают гидролизовать гематит Fe₂O₃, превратив его в более реакционноспособный оксигидкроксид железа FeOOH, во-вторых — ускоряют процесс окислительной полимеризации EDOT.

После 14 часов реакции кирпичный брусок полностью менял цвет, становясь темно-синим, почти черным за счет слоя PEDOT, после этого реакцию останавливали, бруски промывали избытком метанола, чтобы удалить непрореагировавший EDOT и высушивали. Толщина полимерного покрытия зависела от концентрации EDOT и времени синтеза, авторам удалось добиться максимальной толщины слоя PEDOT в 400 микрометров, при этом длина одного полимерного волокна была в среднем 30 микрометров, а диаметр — 190 нанометров.

Нанесение проводящей полимерной пленки на кирпичную подложку / Wang et al. / Nature Communications, 2020

Готовые брусочки авторы испытали в роли конденсаторов. К ним прикрепили металлические контакты, в качестве электролита использовали водный раствор серной кислоты либо гель на основе поливинилового спирта и серной кислоты, а для защиты электродов — эпоксидую пленку.

Конденсатор на основе гелевого электролита продемонстрировал емкость 1,38 фарад на кубический сантиметр, причем 90 процентов исходной емкости сохранялось после 10000 циклов перезарядки. В случае использования жидкого электролита емкостные характеристики была выше (емкость до 2,84 фарад на кубический сантиметр максимальное выдаваемое напряжение 2,6 Вольта, устройство смогло питать светодиод в течение одной минуты, как видно на видео), однако устройства оказались менее стабильными. Впрочем, авторы не проводили полной оптимизации всех составных частей конденсатора, поэтому в дальнейшем характеристики, скорее всего, можно будет улучшить.

Конечно, кирпичные электроды вряд ли будут использоваться в мобильных устройствах, однако они могут найти применение в стационарных конденсаторах — в этом случае вес устройств неважен, а вот низкая цена и отличная механическая прочность могут оказаться решающим преимуществом.

Кроме того, авторы предлагают использовать кирпичные конденсаторы для строительства жилых домов или их частей — механические свойства от покрытия полимером не ухудшаются, поэтому такая стена может одновременно служить и несущей конструкцией и конденсатором. По расчетам авторов, подобная стена может иметь емкость 11500 фарад на квадратный метр поверхности.