 |
Наноматериалы в топливных элементах
|
|
|
|
Лекция 5
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ Наноматериалы для химических источников тока
В литий-ионных аккумуляторах есть анод (отрицательный электрод) и катод (положительный), которые разделены жидким электролитом на основе соли лития. Емкость аккумулятора (миллиампер-час, мАч) напрямую зависит от всех трех элементов. В настоящее время почти в каждом литий-ионном аккумуляторе используется графитовый (углерод) анод, который имеет ограниченную емкость - 400 мАч на грамм. Это означает, что анод должен быть достаточно большим, чтобы аккумулятор мог хранить приличное количество энергии.
Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития).
Ученые определили, что из кремния получаются более эффективные аноды, чем из графита. Один атом кремния может связать до четырех ионов лития, в то время, как для связывания одного иона лития нужно шесть атомов графита. Иными словами, это приводит к повышению плотности энерговыделения. Но до сих пор специалистам не удавалось создать кремневые аноды, которые могли бы выдержать несколько полноценных циклов заряда / разряда.
Рис.______
Во время зарядки кремний может поглотить столько ионов лития, что анод увеличивается практически в четыре раза по сравнению с первоначальным размером. Во время разряда ионы лития движутся к катоду, и анод возвращается к своему первоначальному размеру. После нескольких циклов такого расширения / сжатия анод из кремния разрушается.
Рис.________ Кремний соединяется с несколькими атомами лития, но при этом расширяется. Для предотвращения разрушения графита исследователи используют структуру растения граната: они вводят кремний в графитовые оболочки, размер которых достаточно велик, чтобы дополнительно присоединять литий.
|
|
|
Если изготовить анод на основе кремниевых нанотрубок с двойными стенками, то он будет обладать повышенной прочностью. Нанотрубки покрыты тонким слоем оксида кремния, который является достаточно прочным, чтобы мешать их расширению. В результате новый анод может выдержать 6000 циклов заряда / разряда без значительных повреждений. Технология производства этих нанотрубок довольно сложная и реализуется в четыре этапа. В качестве сырья используются полимерные нановолокна, которые затем восстанавливаются до углерода, далее они покрываются кремнием (на фото). В итоге такие кремниевые аноды могут увеличить емкость батарей в 10 раз.
Квантовый выключатель
Исследователям из японского Национального института материаловедения удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые по сей день используются во многих бытовых при борах.
Принцип работы выключателя прост - при подаче напряжения на устройство между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника.
Длина мостика, по которому протекает ток, - всего 1 нм. На отрезке длиной 1 нм можно расположить 10 атомов водорода, поэтому сообщение о создании нового квантового устройства претендует на сенсацию.
Исследователи говорят, что наноэпектроника на основе новых квантовых переключагелей может вытеснить современную уже через 10 лет.
В отличие от обычных механоэлектрических переключагелей. у наноаналога нет движущихся механических частей. Перемычка из серебра возникает между шинами просто от подачи на них напряжения.
|
|
|
Мостик, состоящий из атомов серебра, формируется, когда между шинами возникает небольшая положительная разность потенциалов. А когда это напряжение меняет знак, мостик разрушается. Квантовое устройство
работает при комнатной температуре и обычном окружении (давление, сухость воздуха и пр.).
Прототип, изготовленный учеными, переключается с частотой около 1 МГц (или миллион раз в секунду) при разнице потенциалов между шинами ± 600 мВ. Частота
Рис. 2.7. Матрица наноэлектронных ключей
переключений устройства связана с толщиной шин. если их еще уменьшить, то можно достичь частоты в 1 ГГц, Этот частотный предел использует современная
электроника (рис. 2.9).__
Как происходит формирование серебряного мостика. Секрет заключается в составе нанопроводников - шин. Один проводник выполнен из чистого серебра, покрытого тонким слоем сульфида серебра (Ag2S), второй - из платины, тоже покрытой чистым серебром. При возникновении положительной разности потенциалов между шинами атомы серебра выделяются из сульфида в мостик длиной 1 нм, и соответственно при изменении знака напряжения мостик разрушается и атомы возвращаются в сульфид. Преимущество нового ключа состоит в том, что благодаря конструкции.устройства емкость памяти на его основе будет выше той, которая существует сейчас. Если же использовать каждый ключ в качестве элемента памяти, то емкость одного слоя с оставит 2,5 Гбиг/см2, в то время как самые сверхплотные чипы памяти характеризуются ёмкостью в 1 Гбит/см2.
Наноматериалы в топливных элементах
При гораздо более умеренных температурах происходит окисление водорода в топливных элементах – так называют устройства, в которых энергия окислительно-восстановительных реакций превращается
в электрическую энергию. В топливном элементе реакции окисления и восстановления происходят на разных электродах – катоде и аноде – и разделены в пространстве.
В твердооксидных топливных элементах роль проводника электричества выполняют ионы кислорода O2–. Электролитом служит тонкий слой керамического материала, проводящего ионы O2–. Керамика представляет собой наноструктурированный композит на основе металлического никеля и оксида циркония, легированного оксидом иттрия (Ni – ZrO2 (Y2O3)). В композите ZrO2 (Y2O3) служит для транспорта ионов O2–, а металлический Ni необходим для отвода электронов и, в некоторой степени, для атомизации молекулярного водорода. Он также должен находиться в высокодисперсной форме для увеличения реакционной поверхности. Композит представляет собой пористый материал, который содержит упаковку ажурных горизонтальных трубок из диоксида циркония с внутренним диаметром
|
|
|
и толщиной стенок 3–5 нм, свободно пропускающих газообразный водород и начиненных нанокластерами металлического никеля.
При работе элемента на катоде молекулы кислорода присоединяют электроны, восстанавливаясь в ионы, которые проходят через композит и участвуют в окислении молекулярного водорода до воды:
1/2O2 + 2 e = O2– – восстановление (катод);
H2 + O2– – 2 e = H2O – окисление (анод).
Выделяющиеся электроны поступают во внешнюю цепь, что и создает электрический ток.
Твердооксидные элементы работают при температуре от 600 до 1000 °C – это самая высокая температура среди всех химических источников тока. Их КПД также один из самых высоких – около 60 %.
Графен – новый материал с многообещающими свойствами. Сфера его применения – создание скоростных компьютеров, качественных и дешевых плоскопанельных экранов и солнечных батарей, а также суперчувствительных газовых детекторов, способных обнаружить малейшую утечку газа.
Рис. 1.9. Графен
Графен (рисунок 1.9) обладает уникальными свойствами. Это самый тонкий материал из всех ныне существующих – толщиной в один-единственный атомный слой. При этом он чрезвычайно прочен, с учетом его толщины это самый прочный материал в мире. Он великолепный проводник электричества и тепла и к тому же прозрачен.
Все началось в 2004 году, когда Андрею Гемму и Константину Новоселову впервые удалось получить графен в свободном состоянии. Это стало крупным открытием, несмотря на то, что графен – вещество простое по определению: это чистый углерод. Но каждый атом углерода в нем жестко связан с тремя соседними атомами и является двумерной сеткой.
|
|
|
При всей простоте конструкции поразителен сам факт существования графена в свободном виде, что идет вразрез с теорией. В середине 1930-х годов выдающиеся физики Лев Ландау и Рудольф Пайерлс предположили, что двумерные кристаллы, подобные графену, неустойчивы и легко разрушаются под действием тепловых флуктуаций. То есть кристалл должен попросту растаять. Но оказалось, что графен, например, весьма прочен. Тончайший слой углерода имеет волнообразную структуру, и этого достаточно для сохранения его устойчивости.
Как ни странно, все мы знакомы с графеном, правда, в несвободной форме. графитовый стержень карандаша – это множество слоев графена, удерживаемых за счет электрических сил. Если провести карандашом тончайшую линию, то в ней вполне могут оказаться графеновые прослойки, что активно используется учеными при исследовании свойств материала. Куском чистого графита осторожно проводят по поверхности другого материала, например оксида кремния, и обнаруживают на нем небольшие хлопья графена. Их при желании можно переместить на другую подложку.
Графен пользуется популярностью, например, в области новейшей электроники, ведь он великолепный проводник. При комнатной температуре его электрическое сопротивление минимально среди всех известных материалов и на 35 % ниже сопротивления меди, в настоящее время используемой в современных микрочипах.
Графен – прозрачный материал. Через сетку из атомов углерода проходит до 97,7 % света. А прозрачный электропроводящий устойчивый материал представляет собой находку для плоскопанельных экранов. Яркость пикселей в плоскопанельных экранах определяется напряжением между двумя электродами, один из которых обращен к зрителю. Эти электроды обязательно должны быть прозрачными. В настоящее время для производства прозрачных электродов применяется оксид индия, легированный оловом (ITO). Графен является более прозрачным и более устойчивым, чем ITO, и уже был продемонстрирован ЖК-дисплей с графеновым электродом. Немецкие ученые также использовали графен в качестве прозрачного электрода в солнечной батарее, и осталось только найти подходящие способы массового производства графена.
Получение графена Начиная с 2004 г., когда был открыт новейший наноматериал, ученые освоили целый ряд методов его получения. Однако самыми основными из них считаются способы: - механической эксфолиации; - эпитаксиального роста в вакууме; - химического перофазного охлаждения (CVD-процесс). Первый из этих трех методов является наиболее простым. Производство графена при механической эксфолиации представляет собой нанесение специального графита на клейкую поверхность изоляционной ленты. После этого основу, подобно листу бумаги, начинают сгибать и разгибать, отделяя нужный материал. При применении данного способа графен получается самого высокого качества. Однако подобные действия не годятся для массового производства данного наноматериала. При использовании метода эпитаксиального роста применяют тонкие кремниевые пластины, поверхностный слой которых является карбидом кремния. Далее этот материал нагревают при очень высокой температуре (до 1000 К). В результате химической реакции происходит отделение атомов кремния от атомов углерода, первые из которых испаряются. В результате на пластинке остается чистый графен. Недостатком подобного метода является необходимость использования очень высоких температур, при которых может произойти сгорание атомов углерода. Самым надежным и простым способом, применяемым для массового производства графена, является CVD-процесс. Он представляет собой метод, при котором протекает химическая реакция между металлическим покрытием-катализатором и углеводородными газами.
|
|
|
Где производится графен? На сегодняшний день крупнейшая компания, изготавливающая новый наноматериал, находится в Китае. Название этого производителя - Ningbo Morsh Technology. Производство графена начато им в 2012 году. Главным потребителем наноматериала выступает компания Chongqing Morsh Technology. Графен используется ею для производства проводящих прозрачных пленок, которые вставляют в сенсорные дисплеи. –
|
|
|
