Tang:Fra superfood til superleder

Tang, de spiselige alger med en lang historie i nogle asiatiske køkkener, og som også er blevet en del af den vestlige madkultur, kunne vise sig at være en væsentlig ingrediens i en anden trend:udviklingen af ​​mere bæredygtige måder at drive vores enheder på. Forskere har lavet et tang-afledt materiale for at hjælpe med at øge ydeevnen af ​​superledere, lithium-ion-batterier og brændselsceller.

Holdet vil præsentere arbejdet i dag ved det 253. nationale møde og udstilling i American Chemical Society (ACS).

"Kulstofbaserede materialer er de mest alsidige materialer, der bruges inden for energilagring og omdannelse, "Dongjiang Yang, Ph.D., siger. "Vi ønskede at producere kulstofbaserede materialer via en virkelig 'grøn' vej. På grund af fornybarheden af ​​tang, vi valgte tangekstrakt som en forløber og skabelon til at syntetisere hierarkiske porøse kulstofmaterialer." Han forklarer, at projektet åbner en ny måde at bruge jordrige materialer til at udvikle fremtidig højtydende, multifunktionelle kulstof nanomaterialer til energilagring og katalyse i stor skala.

Traditionelle kulstofmaterialer, såsom grafit, har været afgørende for at skabe det nuværende energilandskab. Men for at tage springet til næste generation af lithium-ion-batterier og andre lagerenheder, der er brug for et endnu bedre materiale, helst en, der kan skaffes bæredygtigt, siger Yang.

Med disse faktorer i tankerne, Yang, som i øjeblikket er på Qingdao University (Kina), vendte sig mod havet. Tang er en rigelig alge, der vokser let i saltvand. Mens Yang var på Griffith University i Australien, han arbejdede sammen med kolleger på Qingdao University og ved Los Alamos National Laboratory i USA for at lave porøse kulstof nanofibre af tangekstrakt. Chelatering, eller bindende, metalioner såsom kobolt til alginatmolekylerne resulterede i nanofibre med en "æggekasse"-struktur, med alginatenheder, der omslutter metalionerne. Denne arkitektur er nøglen til materialets stabilitet og kontrollerbare syntese, siger Yang.

Test viste, at det tang-afledte materiale havde en stor reversibel kapacitet på 625 milliampere timer pr. gram (mAhg-1), hvilket er betydeligt mere end 372 mAhg-1-kapaciteten af ​​traditionelle grafitanoder til lithium-ion-batterier. Dette kan være med til at fordoble rækkevidden af ​​elbiler, hvis katodematerialet er af samme kvalitet. Æggekassefibrene klarede sig også lige så godt som kommercielle platinbaserede katalysatorer brugt i brændselscelleteknologier og med meget bedre langtidsstabilitet. De viste også høj kapacitans som et superledermateriale ved 197 Farads pr. gram, som kunne anvendes i zink-luft-batterier og superkondensatorer. Forskerne offentliggjorde deres første resultater i ACS Central Science i 2015 og har siden udviklet materialerne yderligere.

For eksempel, bygger på den samme æggekassestruktur, forskerne siger, at de har undertrykt defekter i tang-baserede, lithium-ion batteri katoder, der kan blokere bevægelsen af ​​lithium ioner og hindre batteriets ydeevne. Og for nylig, de har udviklet en tilgang, der bruger rødalger-afledt carrageenan og jern til at lave en porøs svovldoteret kulstof-aerogel med et ultrahøjt overfladeareal. Strukturen kunne være en god kandidat til brug i lithium-svovl-batterier og superkondensatorer.

Mere arbejde er nødvendigt for at kommercialisere de tang-baserede materialer, imidlertid. Yang siger i øjeblikket mere end 20, 000 tons alginatprækursor kan udvindes af tang om året til industriel brug. Men der skal meget mere til for at opskalere produktionen.