Ученые Университета МИСИС совместно с коллегами из РХТУ имени Д. И. Менделеева и Вьетнамского национального университета лесного хозяйства предложили модификацию существующего метода переработки отхода текстильного производства — хлопкового пуха — в пористый активированный уголь.

Повышение скорости нагрева материала с пяти до 350 градусов Цельсия в минуту позволяет одновременно увеличить доступную поверхность углеродного материала от двух до восьми раз и в несколько раз ускорить процесс его получения. Это будет способствовать существенной экономии электроэнергии при производстве. Сам углеродный материал может быть использован для изготовления суперконденсаторов или в качестве эффективного сорбента для очистки воды и воздуха.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics.

В настоящее время существует много видов сырья, которое можно использовать для получения пористых активированных углей. При этом именно материалы с высоким содержанием целлюлозы обеспечивают высокую эффективность карбонизации – получения большей доли полезного углеродного материала по отношению к массе исходного органического вещества. Перспективным с этой точки зрения представляется хлопковый пух, так как содержание целлюлозы в нем составляет от 80 до 97 процентов. Источником такого сырья являются отходы текстильного производства, которые, как правило, просто сжигают.

Хлопковый пух / ©Пресс-служба НИТУ МИСИС

Исследователи НИТУ МИСИС, РХТУ имени Д. И. Менделеева и Вьетнамского национального университета лесного хозяйства предложили модификацию метода переработки хлопкового пуха в активированный уголь, которая позволяет увеличить удельную доступную поверхность углеродного материала от двух до восьми раз и ускорить процесс его изготовления.

За основу взят хорошо известный метод получения активных форм углерода путем карбонизации исходного сырья при нагреве в инертной атмосфере с последующей активацией полученного материала в потоке углекислого газа. Получаемый углеродный материал может быть использован для изготовления суперконденсаторов или как сорбент для очистки воды или воздуха, показывая более высокие характеристики, чем материал, полученный из того же сырья традиционным методом без модификации.

«Главное отличие предложенного нами метода заключается в высокой скорости нагрева и охлаждения реакционной камеры. При использовании традиционных режимов скорость нагрева печи от комнатной температуры до температур карбонизации и активации обычно составляет от пяти до 20 градусов Цельсия в минуту. Между тем, с помощью предложенного метода скорость нагрева может достигать от 350 до 600 градусов Цельсия в минуту для процесса карбонизации и до 750 градусов Цельсия в минуту для процесса активации. В связи с этим меняется характер протекания побочных процессов при карбонизации: мы предполагаем, что меняется соотношение скоростей разложения и испарения некоторых более летучих органических компонентов, благодаря чему удается получить углеродную основу с большим потенциалом для активации, чем при традиционном нагреве. Благодаря этому при использовании таких режимов после активации удалось получить более высокую удельную поверхность за счет появления большего числа пор с максимумом распределения по размерам, смещённым в область радиусов порядка единиц нанометров», – пояснил один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС Илья Кречетов.

SEM-изображения образца SP600 при различных величинах / ©Пресс-служба НИТУ МИСИС

Высокая скорость нагрева и охлаждения достигается за счет того, что реактор с сырьем помещается в предварительно нагретую печь, и извлекается из печи для охлаждения, а не остывает вместе с ней. Это позволяет, к тому же, от двух до восьми раз сократить время получения готового материала.

Один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физической химии НИТУ МИСИС Илья Кречетов / ©Пресс-служба НИТУ МИСИС

«Мы в основном изучаем возможности использования углеродных материалов для создания электродов электрохимических суперконденсаторов. По сравнению с аккумуляторами, суперконденсаторы обеспечивают более быстрый заряд и разряд, высокий ресурс (более 100000 циклов заряда/разряда) и высокую удельную мощность. Они все чаще применяются в областях энергетики с прерывистым режимом работы, таких как солнечная энергия, энергия ветра и приливов. Недостатком суперконденсаторов, по сравнению с батареями, однако, является гораздо более низкая удельная энергия. Использование активированного угля с высокой пористостью для суперконденсаторов увеличивает удельную энергию и расширяет возможности их применения», — отметил Илья Кречетов.

Это исследование – один из шагов в работе по определению влияния различных режимов получения углеродного материала на характеристики электродов накопителей электрической энергии на основе электрохимических суперконденсаторов. В дальнейшем ученые продолжат поиск новых перспективных видов сырья и методов карбонизации и активации для получения таких материалов.