Forskere skaber de første kulfibre med ensartet porøs struktur

En professor ved Virginia Tech's College of Science ønsker at drive fly og biler ved hjælp af energi lagret i deres ydre skaller. Han kan have opdaget en vej mod den vision ved hjælp af porøse kulfibre lavet af det, der er kendt som blokcopolymerer.

Kulfibre, allerede kendt som et højtydende ingeniørmateriale, er meget udbredt i fly- og bilindustrien. En applikation er skallerne af luksusbiler som Mercedes-Benz, BMW, eller Lamborghini.

Kulfibre, tynde hårlignende tråde af kulstof, har flere primære materialeegenskaber:de er mekanisk stærke, kemisk resistent, elektrisk ledende, brandhæmmende, og måske vigtigst af alt, let. Vægten af ​​kulfiber forbedrer brændstof- og energieffektiviteten, producere hurtigere jetfly og køretøjer.

Design af materialer til struktur og funktion

Guoliang "Greg" Liu, en adjunkt ved Institut for Kemi, opfattet ideen om at skabe kulfibre, der ikke kun ville være strukturelt nyttige; de ville også være funktionelt nyttige.

"Hvad nu hvis vi kan designe dem til at have funktionalitet, såsom energilagring? "sagde Liu, også medlem af Macromolecules Innovation Institute. "Hvis du vil have dem til at lagre energi, du skal have steder at sætte ioner i."

Liu sagde, at kulfibrene ideelt set kunne designes til at have mikrohuller ensartet spredt overalt, ligner en svamp, som ville gemme ioner af energi.

Efter at have justeret en mangeårig konventionel metode til kemisk fremstilling af kulfibre, Liu har nu udviklet en proces til at syntetisere porøse kulfibre for første gang med ensartet størrelse og mellemrum. Han beskriver dette arbejde i en nyligt offentliggjort artikel i tidsskriftet high impact Videnskabens fremskridt .

"At lave porøse kulfibre er ikke let, " sagde Liu. "Folk har prøvet dette i årtier. Men kvaliteten og ensartetheden af ​​porerne i kulfibrene var ikke tilfredsstillende.

"Vi har designet, syntetiseret, og derefter behandlede disse polymerer i laboratoriet, og så lavede vi dem til porøse kulfiber. "

Brug af blokcopolymerer til at skabe porøse kulfibre

Liu brugte en flertrins kemisk proces ved hjælp af to polymerer - lange, gentagne kæder af molekyler - kaldet polyacrylonitril (PAN) og poly(acrylonitril-blok-methylmethacrylat) (PMMA).

PAN er velkendt inden for polymerkemi som en precursorforbindelse til kulfibre, og PMMA fungerer som et pladsholdende materiale, der senere fjernes for at skabe porerne.

Men i fortiden, andre kemikere havde typisk blandet PAN og PMMA separat til en opløsning. Dette skabte porøse kulfibre, men med forskellig størrelse og adskilte porer. Energilagring kan maksimeres med større overfladeareal, som forekommer med mindre, ensartede porer.

Liu kom med den nye idé om binding af PAN og PMMA, skabe det, der er kendt som en blokcopolymer. Den ene halvdel af den sammensatte polymer er PAN, og den anden halvdel er PMMA, og de er kovalent bundet i midten.

"Det er første gang, vi bruger blokcopolymerer til at lave kulfiber og første gang vi bruger blokcopolymerbaserede porøse kulfibre til energilagring, " sagde Liu. "Ofte, vi tænker kun fra processens synspunkt, men her tænker vi ud fra materialedesignets synspunkt. "

Efter at have syntetiseret blokcopolymeren i laboratoriet, den viskøse opløsning gennemgik derefter tre kemiske processer for at opnå porøse kulfibre.

Det første trin er elektrospinning, en metode, der bruger elektrisk kraft til at skabe fibrøse tråde og hærde opløsningen til et papirlignende materiale. Næste, Liu satte polymeren gennem en oxidationsopvarmningsproces. I dette trin, PAN og PMMA naturligt adskilt og selvsamlet i strengene af PAN og ensartet spredte domæner af PMMA.

I det sidste trin, kendt som pyrolyse, Liu opvarmede polymeren til en endnu højere temperatur. Denne proces størknede PAN til kulstof og fjernede PMMA, efterlader indbyrdes forbundne mesoporer og mikroporer i hele fiberen.

Nye muligheder inden for energilagring

Selvom dette gennembrud forbedrer et allerede højtydende ingeniørmateriale, måske er det større gennembrud evnen til at bruge blokcopolymerer til at skabe ensartede porøse strukturer til energilagringsmuligheder.

"Det åbner den måde, vi tænker på at designe materialer til energilagring, " sagde Liu. "Nu kan vi også begynde at tænke på funktionalitet. Vi bruger ikke kun (kulfiber) som et strukturelt materiale, men også et funktionelt materiale."

Liu havde leget med denne idé, siden han sluttede sig til Virginia Tech i 2014, men han startede formel forskning på denne idé efter at have indsendt et vindende forslag gennem Air Force Young Investigator Program (YIP) i 2016.