ASS: Энергоплотность углерода из рисовой шелухи на 50% больше графита

Новый вид углерода в золе от сгоревшей рисовой шелухи обнаружили ученые из Мичиганского университета. Этот углерод может почти вдвое увеличить плотность энергии обычных литий-ионных или натрий-ионных батарей.

Раньше считалось, что твердый углерод можно получить только путем нагревания биомассы, например, сельскохозяйственных отходов, до высокой температуры в бескислородной среде. Но оказалось, что такой углерод можно создать и при сжигании рисовой шелухи.

Рисовая шелуха, которую обычно выбрасывают, может стать материалом для изготовления электродов аккумуляторов. Это лучше, чем импортировать графит из других стран.

Чтобы сделать графит, биомассу нужно сильно нагреть — до 2000 °C. Из-за этого в атмосферу попадает много углекислого газа.

А если сжигать рисовую шелуху, то можно получить электроэнергию без вреда для природы. В калифорнийской долине Сакраменто компания Wadham Energy LP так получает 200 000 мегаватт-часов электроэнергии в год. Этого хватит на 22 000 домов.

Рисовая шелуха при сжигании выделяет углекислый газ. Но этот CO₂ получается из того же газа, который растение поглощало из атмосферы во время фотосинтеза. Поэтому производимое электричество не увеличивает количество углекислого газа в атмосфере и является экологически чистым, — говорит Ричард Лейн, профессор факультета материаловедения и инженерии и макромолекулярной науки и инженерии, автор исследования, недавно опубликованного в журнале Advanced Sustainable Systems.

Учитывая, что в США ежегодно выращивается около 20 миллиардов фунтов риса, есть куда наращивать масштабы.

В предыдущей работе ученые показали, как можно частично удалить кремнезем из золы рисовой шелухи. Эта зола на 90% состоит из кремнезема и на 10% из углерода.

После удаления части кремнезема оставшаяся зола содержит около 60-70% углерода. Ученые считали этот углерод аморфным, то есть не имеющим кристаллической структуры. Но с помощью специальных методов исследования они обнаружили в нем крошечные частицы графита, которые существуют на наноуровне внутри аморфного углерода. Такая смесь называется твердым углеродом.

В данном случае твердый углерод может быть получен путем сжигания, поскольку при сгорании углерода рисовой шелухи вокруг оставшегося углерода образуется оболочка из кремнезема, и он запекается, как пирог, — говорит Лейн.

Ученые проверили свойства твердого углерода, который получили из золы рисовой шелухи. Этот материал оказался лучше, чем обычный промышленный твердый углерод и графит. Его использовали как анод в литий-ионном аккумуляторе — месте, откуда заряд выходит из батареи.

Оказалось, что грамм промышленного твердого углерода может хранить около 500 миллиампер-часов (мАч) заряда. А графит — только около 370 мАч. Это значит, что у батарей из твердого углерода плотность энергии примерно на 50% выше.

Твердый углерод из рисовой шелухи превзошел оба материала, его емкость составила более 700 мАч — почти вдвое больше, чем у графита. Вероятно, это связано с нанопористой структурой этого материала.

Превращая сельскохозяйственные отходы в ценный продукт, твердый углерод из золы рисовой шелухи может помочь удовлетворить растущий спрос на батареи для использования в электромобилях и хранения периодически возобновляемой энергии, снижая при этом стоимость и выбросы.

Команда подала заявку на патентную защиту при содействии U-M Innovation Partnerships и ищет партнеров для вывода технологии на рынок. Технологический институт Карлсруэ в Германии также принял участие в этом исследовании через соавтора Сильвио Индриса. Компания Wadham Energy предоставила золу из рисовой шелухи, использованную в исследовании.

Ранее ученые открыли сверхтвердую форму углерода.

06.12.2024