14 апреля 2024

Важный шаг в экоэнергетике

Ученые обращаются к грибам для создания экологически чистых материалов на основе углерода для накопления энергии. Традиционно производство таких материалов в значительной степени раньше зависело от ископаемого топлива.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Global Challenges, группа специалистов изучила производство углеродных нитей для использования в устройствах накопления энергии, называемых суперконденсаторами, которые, подобно батареям, накапливают электрическую энергию за счет разделения положительных и отрицательных зарядов на электродах, обычно состоящих из пористого углеродного материала. В отличие от традиционных аккумуляторов, которые накапливают энергию в результате химических реакций, суперконденсаторы накапливают энергию электростатически, обеспечивая быстрые циклы зарядки и разрядки.

«Углерод поступает в ваши шины, в полимеры для изменения их свойств, в дополнение к очистке биогаза, а также для накопления энергии», — пояснил ученый Митчелл Джонс. — Мы можем уменьшить нашу зависимость от ископаемых ресурсов, используя грибковые волокна, которые были преобразованы в углерод».

Углеродные волокна на растительной основе уже использовались для этой цели, но Джонс отмечает, что грибы имеют преимущество. Дело в том, что грибковые волокна и так красивые и маленькие, их использование зачастую менее энергоемко. Он описал различия процессов производства: «Сначала нам нужно измельчить растительные волокна до нужного размера, прежде чем превращать их в углерод, что требует много энергии. Нам не нужно делать это с грибами, потому что они от природы имеют очень тонкую волокнистую структуру подходящую для суперконденсаторов».

Микро- и наноразмерные пористой углеродной сетки обеспечивают большую площадь поверхности для работы, что означает больше активных участков для электрохимических реакций, которые накапливают и высвобождают энергию, а также больше участков для улавливания примесей, если материал используется в качестве абсорбирующего фильтра, например, при очистке биогаза.

В ходе исследования ученые использовали обыкновенные белые шампиньоны и королевские вешенки — грибы, которые можно купить практически в любом продуктовом магазине. У разных грибов разный размер волокон, что зависит от вида и условий окружающей среды, в которых они выращивались, таких как температура и уровень влажности.

«Кроме того, когда грибы растут в среде с высокой концентрацией металлов, неорганических солей и тому подобных веществ, они склонны поглощать их и включать в свою волокнистую структуру, — рассказал Джонс. — Это означает, что, тщательно выбирая грибы и выращивая их в среде, где мы добавляем металлы и соли, мы можем влиять на размер волокон, которые мы получаем, и на то, сколько в них неорганического, то есть негрибкового, содержания».

В ходе предварительных лабораторных испытаний было обнаружено, что углерод, полученный из двух видов грибов, обладает «умеренной» удельной емкостью, которая относится к способности материалов накапливать электрический заряд на единицу своего размера или веса. Их ценность была немного ниже, чем у коммерческого угля, получаемого из скорлупы кокосовых орехов, который называется YP-50F carbon, и был ниже, чем у других традиционных углей.

По признанию Александра Бисмарка из Венского университета и другого ученого, получение стабильных результатов является сложной задачей.

«Работа с биологическими организмами никогда не бывает простой. Нам всегда нужно предвидеть значительные различия от образца к образцу, а иногда и ограничения в повторяемости результатов», — утверждает он.

В настоящее время ученые изучают дополнительные области применения этих материалов на основе грибов, включая использование их возможностей по поглощению ресурсов и использование присущих им сенсорных и сигнальных способностей для сбора информации об окружающей среде.

«Мы только начинаем понимать, как мы можем использовать грибы для достижения устойчивого будущего», — заключил он.