Reakcia inšpirovaná raketou poskytne uhlík s rekordne veľkým povrchom

Ako si iste pamätáte z hodín chémie na škole, keď sa určité chemikálie dostanú do vzájomného kontaktu, výsledky môžu byť doslova výbušné. Prijatím tohto princípu v oveľa vážnejšej miere, raketoví vedci už roky používajú niečo známe ako hypergolické reakcie ako palivo pre celý rad vesmírnych plavidiel.

Ide o reakcie medzi dvoma chemikáliami (zvyčajne palivom a oxidačným činidlom), ktoré sú také prudké, že môžu poskytnúť pohon, ak sú správne nasmerované. Jednou z najbežnejších kombinácií vo svete hypergolického pohonu je napríklad miešanie palivového hydrazínu s oxidačným činidlom oxid dusnatý.

Na Cornellovej univerzite postdoktorandský výskumník Nikolaos Chalmpes používal hypergolické reakcie iným spôsobom. Vytváral materiály z mocných síl, ktoré sa uvoľnili, keď sa spojili rôzne chemikálie. Profesor Emmanuel Giannelis, ktorý si myslel, že by to mohlo pomôcť zvýšiť pórovitosť uhlíka, čo by zvýšilo jeho povrchovú plochu a zlepšilo jeho ukladanie energie a zachytávanie oxidu uhličitého, začal spolupracovať s Chalmpesom na novej štúdii.

„Snažil som sa pochopiť, ako využiť a ovládať tieto nepreskúmané reakcie na syntézu rôznych uhlíkových nanoštruktúr, a po úprave rôznych parametrov som zistil, že by sme mohli byť schopní dosiahnuť ultra vysokú pórovitosť,“ povedal Chalmpes, vedúci autor štúdie. „Dovtedy sa tieto reakcie používali iba v raketových a leteckých systémoch a sondách hlbokého vesmíru na pohon a hydraulickú energiu.“

Dvojica s pomocou tímu ďalších vedcov bola úspešná. Vedci vytvorili uhlík, ktorý má úžasnú povrchovú plochu 4 800 metrov štvorcových na gram, čo, ako hovoria, je zhruba ekvivalentné veľkosti futbalového ihriska úhľadne zbaleného na čajovú lyžičku.

„Podľa našich najlepších vedomostí je táto hodnota plochy najvyššia uvedená v literatúre,“ píšu vedci vo svojej štúdii, ktorá bola nedávno publikovaná v magazíne ACS Nano.

Kľúčom k úspechu materiálu je skutočnosť, že hypergolická reakcia vytvára uhlíkové trubice, ktoré majú vysoké koncentrácie molekulárnych kruhov vyrobených z piatich atómov uhlíka namiesto zvyčajných šiestich. To mení uhly väzieb na molekulárnej úrovni a pridáva na stabilite rúrok.

V reakcii sa skúmavky zostavili podľa šablóny vytvorenej výskumníkmi, aby poskytli štruktúru. Nakoniec bola výsledná štruktúra potiahnutá hydroxidom draselným, ktorý zmýva menej stabilné štruktúry a zanecháva za sebou tisíce mikroskopických pórov.

„Keď urobíte túto veľmi rýchlu reakciu, vytvorí sa perfektná situácia, keď sa systém nemôže uvoľniť a prejsť do stavu s najnižšou energiou, čo by normálne urobil,“ povedal Giannelis. „Vzhľadom na rýchlosť hypergolických reakcií môžete zachytiť materiál v metastabilnej konfigurácii, ktorú nemôžete získať pomalým zahrievaním normálnej reakcie.“

Po vytvorení materiálu ho výskumníci otestovali, aby zistili, koľko oxidu uhličitého dokáže izolovať z atmosféry. Výsledkom bolo, že len za dve minúty dokázal zachytiť 99 % svojej celkovej kapacity, čo je výťažok, ktorý takmer zdvojnásobuje súčasné produkty s aktívnym uhlím. Ukázalo sa tiež, že má štvornásobne vyššiu schopnosť akumulácie energie ako komerčne dostupné aktívne uhlie s objemovou hustotou energie 60 watthodín na liter.

„Tento prístup ponúka alternatívnu stratégiu navrhovania a syntézy materiálov na báze uhlíka vhodných pre sorbenty, nosiče katalyzátorov a aktívne materiály pre superkondenzátory, najmä v aplikáciách vyžadujúcich priestorovú efektívnosť,“ povedal Chalmpes. „Okrem toho jedinečné experimentálne podmienky hypergolických reakcií poskytujú ďalšiu cestu pre návrh a syntézu elektrokatalyzátorov so zlepšenými vlastnosťami.“