Молодые ученые разрабатывают материалы для электрохимических накопителей энергии

В ходе недавнего исследования ученые выяснили, что «пришивание» кислородсодержащих групп к поверхности углеродного электрода не влияет на скорость восстановления кислорода в неводных электролитах, как это предполагалось раньше. Над проектом работали исследователи молодежной лаборатории химических источников тока Федерального исследовательского центра химической физики РАН им. Н.Н. Семенова совместно с иностранными коллегами из трех европейских синхротронных центров. 

Электрохимическое восстановление кислорода играет важную роль в решении задач по разработке газовых сенсоров, синтеза перекиси водорода, совершенствованию и созданию новых электрохимических накопителей энергии, в том числе топливных элементов и металл-воздушных аккумуляторов. Многие исследования направлены на понимание процесса восстановления кислорода в водных средах – именно такой процесс протекает в низкотемпературных топливных элементах. Намного меньше известно о том, как кислород восстанавливается в неводных электролитах – это важно для разработки металл-кислородных аккумуляторов, которые теоретически могли бы превзойти распространенные сегодня металл-ионные (литий- и натрий-ионные) по удельному запасу энергии. Для металл-кислородных аккумуляторов очень привлекательны углеродные электроды из-за их легкости и низкой стоимости, но влияние химического состава поверхности углерода на процессы, протекающие при работе этих аккумуляторов, изучены мало, хотя и имеют большое значение.

Новое исследование ученых впервые показало, что присоединение кислородсодержащих групп к поверхности углеродного электрода не влияет на скорость восстановления кислорода в неводных электролитах. В литий-содержащих электролитах присутствие кислородных групп на углеродном электроде увеличивает скорость «коррозии» электрода, приводящей к образованию карбоната лития.

«Мы экспериментально наблюдали, что эпоксидные и карбоксильные функциональные группы не влияют на первую стадию переноса электрона от углеродного электрода к молекуле кислорода. Напротив, дальнейшее электрохимическое восстановление до пероксида лития катализируется эпоксидными группами, — прокомментировала руководитель эксперимента Лада Яшина, главный научный сотрудник лаборатории химических источников тока ФИЦ ХФ РАН. — Однако эти группы также способствуют и окислению углерода промежуточным соединением — надпероксидом лития, что было проанализировано с помощью фотоэлектронной спектроскопии, выполненной в реальных условиях работы литий-кислородного аккумулятора».  

В исследовании ученые использовали графен как модель углеродного материала. Используя современные физико-химические методы, исследователи смогли понять и точно проконтролировать, какие именно кислородные группы участвуют в реакции и каким образом. Проводя электрохимические измерения буквально с одного или двух слоев атомов углерода, исследователи смогли проверить, есть ли каталитический эффект при использовании углеродных электродов, к которым «привиты» кислородные группы. Разработанный учеными подход демонстрирует новые инструментальные возможности для исследователей аккумуляторов и топливных элементов. Использование таких тонких модельных электродов как графен и фотоэлектронной спектроскопии на синхротронном излучении в operando-условиях позволяет заглянуть «внутрь» работающих химических источников тока, упрощая поиск эффективных материалов для новых электрохимических накопителей энергии.

Напоминаем, что в рамках Года науки и технологий июнь посвящен теме «Новые производственные технологии и материалы».