Дешевая, устойчивая батарея, изготовлена из танинов коры деревьев.

Фото: CC0 Creative Commons

Нанотехнологии
Шрифты

Таннины довольно известны из-за их присутствия в красном вине и чае, но в новом исследовании исследователи впервые продемонстрировали, что дубильные вещества из древесной коры могут также служить в качестве материалов катода для батарей. Поскольку таннины в древесной коре составляют в среднем приблизительно 15% по весу, они, естественно, обильны, что является одним из факторов, который делает их перспективным материалом для разработки устойчивых, недорогих, неметаллических, высокоэффективных батарей.

Танины, или таннины — группа фенольных соединений растительного происхождения, содержащих большое количество групп —OH. Танины обладают дубильными свойствами и характерным вяжущим вкусом. Дубящее действие танинов основано на их способности образовывать прочные связи с белками, полисахаридами и другими биополимерами.

Танины содержатся в коре, древесине, листьях, плодах (иногда семенах, корнях, клубнях) многих растений — дуба, каштана, акации, ели, лиственницы, тсуги канадской, эвкалипта, чая, какао, гранатового дерева, черёмухи, хурмы, хинного дерева, сумаха, квебрахо и других. Танины придают листьям и плодам терпкий вяжущий вкус. Танины подавляют рост патогенных для многих растений микроорганизмов, защищают растения от поедания животными (жвачным животным вкус танинов, вероятно, неприятен, поэтому корм поедается неохотно, но не ядовит).

Танины выделяют главным образом из коры акации, ели, каштана в виде водного экстракта, содержащего соответственно 36, 16 и 13 % танина по массе.

В промышленности танины используются для дубления кожи и меха, приготовлении чернил, протравливания текстильных волокон, придания различным напиткам терпкого и вяжущего вкуса и как пищевой краситель (E181).

Помимо их широко распространенной доступности, еще одна причина, по которой танины являются таким многообещающим материалом для батарей, - их высокий уровень фенола - они имеют самое высокое содержание фенола среди любого полимера, произведенного живыми организмами. Высокие уровни фенола важны, потому что механизм зарядки первичного заряда батареи на основе танина является обратимой химической реакцией, в которой фенол превращается в хинон.

Исследователи, возглавляемые Хунли Чжу (Hongli Zhu) в Северо-Восточном университете в Бостоне, вместе с аспирантом Алоликой Мукхопадхай (Alolika Mukhopadhyay) в качестве ведущего автора и соавторов Национальной лаборатории по возобновляемой энергии в Голден, штат Колорадо, опубликовали статью о катоде батарей из танина в недавнем выпуске Nano Letters.

«Наибольшее преимущество использования возобновляемого полимерного танина заключается в том, что природа производит огромное количество танина, которое может быть извлечено из недостаточно используемой коры с минимальными затратами и усилиями», - сказал Чжу в интервью Phys.org.

«Редокс-активные фенольные гидроксильные группы танинов более чем в 5000 раз выше, чем лигнин, который ранее считался самым перспективным биополимером для хранения электрохимической энергии. Из-за значительного низкомолекулярного веса танина и чрезвычайно высокого фенольного содержания гидроксила, взаимопроникающая сеть танинов и полипиррола демонстрирует выдающиеся электрохимические характеристики. Мы считаем, что таннин - новый чемпион естественных окислительно-активных биополимеров».

В экспериментах исследователи продемонстрировали, что тип танина, называемый «эллагитаннин», извлеченный из коры каштанового дерева, может быть использован для изготовления катодов батареи для батарей, которые обладают превосходной общей производительностью, в том числе большой емкостью и высокой плотностью энергии. Конструкция состоит из эллагитаннина в сочетании с полимерным полипирролом для высокой проводимости, который помещается поверх карбонизированной древесной подложки.

Деревянный субстрат также способствует хорошему функционированию батареи благодаря высоковыровненным каналам в своей клеточной структуре. Эти каналы, которые деревья используют для транспортировки воды и питательных веществ, теперь используются для переноса электронов и ионов в новую батарею.

Хотя изготовление батарей из танинов представляет большой сдвиг от использования обычных металлических материалов, таких как литий, встречающееся в природе соединение может предлагать решения двух из самых больших проблем, стоящих перед будущими системами хранения энергии: нехватка металлических материалов и высокая стоимость синтеза материалов. Как показывают исследователи в новом исследовании, природные танины могут быть очищены при низкой стоимости для их использования в батареях.

Предыдущие исследования показали, что другие материалы на основе растений также выглядят многообещающими в качестве альтернативных материалов для батарей. Одним из биополимеров, который был широко изучен, является лигнин, который находится в клеточных стенках растений и придает древесине и коре их жесткую структуру. Хотя лигнин широко распространен, он имеет высокую молекулярную массу по сравнению с его относительно низким содержанием фенола. Поскольку содержание фенола во многом определяет электрохимические характеристики, такие как плотность энергии и емкость хранения, низкое содержание фенола в лигнине ограничивает потенциальную производительность батарей на основе лигнина.

Одно из самых больших преимуществ танинов заключается в том, что они имеют более низкую молекулярную массу, чем лигнин, тогда как их содержание фенола в них в 5000 раз выше. Эти различия обеспечивают потенциал для изготовления батарей с гораздо более высокой плотностью энергии и емкостью.

Поскольку исследователи только начали исследовать потенциал танинов в батареях, они ожидают, что в будущем можно будет еще больше повысить производительность этих батарей.

«Суммарная зарядная емкость батарей из танина высока, - сказал Чжу. «Однако, по существу, высокая водная растворимость танина приводит к потере эффективного материала, что приводит к постепенному исчезновению емкости, поэтому мы пытаемся химически модифицировать танин для обеспечения стабильной и безопасной работы в суровых условиях».

Источник: phys.org