Из полипептидов сделали перерабатываемые аккумуляторы

Американские
материаловеды изготовили перерабатываемые
органические аккумуляторы с электродами на
основе полипептида. Отработанный
аккумулятор можно полностью гидролизовать
за 24 часа, а
полученную
аминокислоту использовать для получения
новых аккумуляторов. Пока
что стабильность новых
аккумуляторов
недостаточна для
коммерческого использования,
но у авторов есть идеи, как можно будет
улучшить ее в дальнейшем. Если им это
удастся, рынок
носимых
аккумуляторов
может измениться. Результаты
исследования опубликованы
в журнале Nature.

Литий-ионные
аккумуляторы сейчас используются
повсеместно

на
них работают смартфоны, ноутбуки и даже
электромобили.
Однако,
запасы
материалов (главным образом лития,
никеля
и
кобальта) для таких батарей на нашей
планете ограничены
и
быстро
истощаются,
а
перерабатывать их все еще сложно
и дорого.
Поэтому
ученые ищут альтернативные
материалы
для
легких перезаряжаемых аккумуляторов,
и
один из вариантов — органические
полимеры.
Чтобы
изготовить
перезаряжаемый аккумулятор, нужны
материал, которые
обратимо
принимают
и отдают
электроны, оставаясь
стабильным
и в окисленном
и в восстановленном
виде.
В
органических аккумуляторах чаще
всего используют
углеводородные
полимеры
с
редокс-активными группами в
боковых цепях.
Такие
аккумуляторы
недорогие
и сделаны
без
кобальта, никеля и других дорогостоящих
металлов, однако у них есть и существенный
недостаток. Перерабатывать
подобные
редокс-активные полимеры
трудно
— по
строению и свойствам они похожи на
пластик, причем самые «проблемные» для
переработки виды, такие как полипропилен
и полистирол. Если
полимерные аккумуляторы будут
использоваться так же широко, как
литий-ионные,
накопление
отработанных катодных и анодных
материалов может стать серьезной
экологической проблемой. Поэтому
ученые
хотят
заменить полимеры
с углеводородные каркасом на
менее
токсичные и
более
удобные для переработки аналоги.
Но
найти
такой материал не так
просто,
ведь он должен удовлетворять двум почти
противоречащим
требованиям: быть стабильным во
время зарядки и разрядки и быстро
разлагаться после
окончания использования.

Большой
шаг вперед удалось сделать американским
материаловедам
под руководством Карен Вули
(Karen
L. Wooley) из
Университета Техаса. Вместо
углеводородного каркаса
катодных и анодных материалов они
использовали
каркас
из
полипептидов
— биополимеров, которые состоят из
остатков аминокислот, соединенных
пептидной (—C(O)NH—) связью.
Полярная
пептидная связь в составе полипептидов
более реакционно способна, чем связи
углерод-углерод, из которых состоит
каркас углеводородов, поэтому такие
материалы легче переработать — например
с помощью реакции гидролиза. К
полипептидному каркасу ученые
присоединили функциональные
группы, участвующие в зарядке и разрядке
— для
катода они
использовали (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксил (TEMPO),
а
для анода — метилбипиридиновый
фрагмент (viol-Cl).

Нужные
полипептиды
авторы синтезировали из
L-глутаминовой
аминоксилоты.
Сначала
к аминокислоте добавляли
различные
спирты,
чтобы с помощью этерификации ввести
алкильный или хлоралкановый фрагмент,
который в дальнейшем можно будет
заменить
на другую группу, а
после этого
проводили
циклизацию и последующую полимеризацию
с раскрытием цикла. Затем
в боковую цепь полученного полипептида
вводили нужные
функицональные
группу — viol-Cl
или
два
фрагмента TEMPO.
Всего
для
синтеза
катодного материала с
TEMPO
потребовалось девять
стадий превращения,
а для анодного с
viol-Cl
— семь.

Сначала
оба материала испытали по
отдельности — с
помощью циклической вольтамперометрии
и в
составе полуячеек
с
литиевым противоэлектродом.
Убедившись, что
оба
полипептида
окисляются
и восстанавливаются обратимо, авторы
изготовили прототип полимерного
аккумулятора без металлов — ячейку
типа сэндвич с разделителем из
фильтровальной бумаги, пропитанной
электролитом.

Максимальная
разрядная
емкость
пептидной
батарейки — 37,8
миллиампер-час на грамм катодного
материала (в
несколько раз ниже,
чем у традиционных органических
аккумуляторов и более чем на порядок
ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов).
Стабильность
аккумулятора
тоже
явно
недостаточна:
спустя 250 циклов зарядки разрядки емкость
снизилась более, чем в пять раз — до
7,5
миллиапмер-час
на грамм катодного материала. Снижение
емкости происходит потому, что в процессе
зарядки и разрядки
полипептиды
постепенно растворяются в
электролите. Чтобы
улучшить емкость
и стабильность аккумуляторов,
авторы
планируют стабилизировать полипептиды
с помощью кросс-линкеров
— мостиковых
групп, которые соединяют
соседние
полимерные цепи друг с другом.

А
вот успешно
переработать
использованные
устройства авторы
удалось
уже сейчас. Они
помещали отработанные
аноды
и катоды
в соляную кислоту — концентрацию кислоты
и температуру варьировали. Уже
при температуре 110 градусов Цельсия
материалы
полностью разложились
за 24
часа.
Среди
продуктов разложения — L-глутаминовая
аминоксилота,
которую можно очистить
и использовать
для получения новых
полипептидов.
А
вот боковые
фрагменты цепей, с viol-Cl
и TEMPO
в
процессе гидролиза деформировались
сильнее,
так
что их нельзя использовать вторично.
Вули и ее коллеги планируют попробовать
более мягкий способ гидролиза полипептидов,
чтобы его можно было полностью воссоздать
из продуктов разложения.

Смогут
ли полимерные аккумуляторы в
будущем стать
полноценной заменой литий-ионным, пока
сказать нельзя. Поэтому
параллельно
ученые продолжают искать новые простые
способы
переработки литий-ионных аккумуляторов.
Например, в прошлом году химики
из Франции и Сингапура предложили
использовать для
извлечения металлов препарат апельсиновой
кожуры.
Благодаря
сочетанию
нескольких
восстанавливающих сахаров и антиоксидантов
можно извлечь
из отработанного
катода более 90 процентов кобальта без
образования вредных побочных продуктов.

Наталия
Самойлова

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 21.05.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии