В научном прорыве, которому позавидовал бы сам Джордж Вашингтон Карвер, ученые, возможно, придумали самое гениальное использование арахиса еще. Но это не популярные бобовые, которые Карвер создал для продуктов питания, красителей и косметики - они упаковывают арахис. Команда инженеров-химиков в Университете Пердью в настоящее время разработала увлекательный способ многократного использования упаковочного арахиса для производства углеродных анодов, компонента аккумуляторных батарей, которые превосходят конкурентные батареи на рынке.
Упаковка арахиса оказалась невероятно полезной в обеспечении безопасного прибытия крупногабаритных посылок с незначительным добавленным весом. Тем не менее, они дьявол распоряжаться. Поскольку они занимают так много места и дороги в транспортировке, многие службы по переработке бордюров больше не принимают арахис. В результате только часть упаковочного арахиса перерабатывается должным образом.
Оставшееся большинство сбрасывается на свалки, где они могут представлять значительную экологическую угрозу. В дополнение к разложению нескольких поколений, арахис на основе полистирола (пенополистирол является общим брендом) содержит химические вещества, которые считаются канцерогенными. В ответ на критику этих вредных воздействий на окружающую среду производители представили нетоксичный крахмал на основе биоразлагаемого арахиса. Тем не менее, исследователи из Purdue утверждают, что эта «зеленая» альтернатива может также содержать потенциально опасные химические вещества, которые используются для «раздувания» этого арахиса.
Вилас Пол, доцент Школы химического машиностроения Пердью и ведущий автор исследования, говорит, что его вдохновение для проекта пришло, когда он заказывал материалы для своей новой экспериментальной исследовательской лаборатории батарей. «Мы получали много оборудования и химикатов, содержащихся во многих коробках, заполненных упаковкой арахиса, и в какой-то момент я понял, что все эти арахисы будут растрачены», - говорит Пол. «Мы хотели сделать что-то хорошее для общества и окружающей среды».
Литий-ионные батареи в основном состоят из положительного электрода (катода), изготовленного из вещества на основе лития, отрицательного электрода (анода) из углерода, разделяющей их полимерной мембраны и жидкого электролитного вещества, которое может переносить заряд через мембрану. Когда батарея заряжается, положительные ионы лития перемещаются от положительного катода к отрицательному аноду и накапливаются на угле. И наоборот, когда батарея используется, ионы лития текут в противоположном направлении, генерируя электричество.
После того, как первоначальный анализ показал, что основными компонентами упаковочного арахиса являются углерод, водород и кислород, команда попыталась разработать процесс, который мог бы использовать углерод для создания анода для литий-ионной батареи. Нагревая арахис в определенных условиях, команда смогла изолировать углерод, уделяя особое внимание удалению кислорода и водорода через образование водяного пара, чтобы не создавать побочный продукт, который был опасен для окружающей среды. Затем команда применила дополнительное тепло к оставшемуся углю, сформовав его в очень тонкие листы, способные служить анодом для их батареи.
Удивительно, но новая «переработанная» батарея значительно превзошла ожидания ученых - она сохранила больший общий заряд, примерно на 15 процентов, и заряжалась быстрее, чем другие сопоставимые литий-ионные батареи. Оказывается, что уникальный процесс производства команды непреднамеренно изменил структуру углерода в их пользу. Дальнейшие исследования показали, что, когда вода выделялась из крахмала, она образовывала небольшие поры и полости, увеличивая общую площадь поверхности, способную удерживать заряд лития. Пол и его коллеги также обнаружили, что их процесс увеличил расстояние между атомами углерода, способствуя более быстрому заряду, предоставляя ионам лития более эффективный доступ к каждому атому углерода. «Как будто у вас есть большая дверь для лития», - говорит Пол. «И это большее пространство побуждает литий двигаться быстрее».
В дополнение к присущему положительному воздействию на окружающую среду повторного использования арахиса, которое в противном случае могло бы толпиться на свалках, изоляция чистого углерода от арахиса требует минимальной энергии (всего 1100 градусов по Фаренгейту). В отличие от этого, температура, необходимая для производства обычного углерода, используемого для анодов батарей, составляет от 3600 до 4500 градусов по Фаренгейту и занимает несколько дней, утверждает Pol.
Исследователи подали заявку на патент для своей новой технологии в надежде вывести ее на рынок в ближайшие два года, а также планируют исследовать и другие способы использования углерода. «Это очень масштабируемый процесс», - говорит Пол. И «эти батареи - только одно из применений. Углерод есть везде.
