Молодой ученый Петр Корусенко рассказал, почему нанокомпозиты – материалы будущего, и как с их помощью можно улучшить устройства хранения энергии.

Композитные материалы люди создавали тысячелетиями, к ним относятся, например, алюминий, пластик, бетон. То есть материалы, в составе которых соединяются несколько компонентов. Их разработка и использование позволяют человечеству каждый раз достигать новых технологических высот. И вот в начале 2000-х годов начался еще один виток в создании материалов – появились нанокомпозиты, то есть материалы, в которых один из компонентов в одном, двух или трех измерениях имеет размеры, не превышающие 100 нанометров. Их уже применяют во многих отраслях, например, в самолето- и автомобилестроении, медицине и производстве электроники, а исследование и разработка новых нанокопозитов занимают умы ученых по всему миру. Заинтересованы этой темой и омские научные сотрудники. Так, молодой ученый Петр Корусенко занимается созданием и изучением нанокомпозитных материалов, которые впоследствии могут быть использованы в устройствах хранения и преобразования энергии.

Изначально исследователь вместе с группой коллег из Томского политехнического университета создавал композитные материалы на основе оксида олова и углеродных нанотрубок с использованием импульсного ионного облучения, и образцы, полученные ими в ходе работы, легли в основу подхода по созданию материала для литий-ионных аккумуляторов.

– Мы разработали новый электродный (анодный) материал, – поясняет Петр. – В батарейках используются два вида электродов: анод и катод. Первый отдает электроны, второй – принимает. Анод традиционно делается из графита, мы же вместо него используем нанокомпозит на основе углеродных трубок и олова, модифицированный импульсным ионным пучком и обладающий удельной емкость в три раза больше, чем графит. Кроме этого, такой электродный материал имеет большую циклическую стабильность, чем графит. Нанокомпозит – некий порошок, – который можно использовать при производстве аккумуляторов, если наладить процесс его получения с высоким выходом. Правда, применять его можно будет скорее в полупромышленных масштабах, поскольку пока нет нелабораторной технологии формирования таких композитов.   

Однако сейчас из-за определенных сложностей, связанных в частности с невозможностью тестирования литий-ионных аккумуляторов, исследователи перешли на суперконденсаторы, которые также являются перспективными устройствами хранения энергии. Но к ним, по словам ученого, проще создать электродные материалы.

– Мы используем подход вроде того, что создали для аккумуляторов, но для суперконденсаторов применяем непрерывный ионный пучок, а не импульсный. Мы облучаем нанотрубки и выдерживаем их в среде ускорителя с последующим напуском туда смеси кислорода с воздухом в определенной пропорции. Идея в том, чтобы создать структурные дефекты в стенках нанотрубок и присоединить к этим дефектам или вблизи них функциональные кислородсодержащие группы, которые в суперконденсаторах как раз и участвуют в окислительно- восстановительных реакциях. Эти процессы называются фарадеевскими, и они могут дать вклад в удельную емкость материала больше 100 %. Например, мы проводили эксперименты по созданию композитов на основе нанотрубок и полианилина. Исходные трубки обладают емкостью 15 фарад на грамм, что уже является достаточно хорошим показателем, но у нашего нанокомпозита этот показатель увеличивается в 13 раз – до 200 фарад на грамм, – рассказывает Петр.

Задача исследователей – показать, насколько при использовании нанокомпозитов увеличиваются характеристики суперконденсаторов: удельная емкость и циклическая стабильность. После чего будет создаваться технология производства этих нанокомпозитов, причем процессы должны быть достаточно дешевыми, чтобы ими заинтересовался и смог использовать бизнес.

– Создание и исследование нанокомпозитных материалов – актуальная тема, ей занимаются многие ученые по всему миру, но в области устройств преобразования и хранения энергии пока нет разработок, которые были бы дешевыми и применялись в промышленности, – объясняет омич. – Будут ли наши исследования экономически более обоснованными, мы сможем узнать только со временем, поскольку пока идут лабораторные исследования. Хотя часть работы, связанная с суперконденсаторами, уже завершена, и сейчас готовится патент на способ модифицирования электродного материала.

Отметим, что образцы, полученные в ходе исследования, ученые сначала тестируют в лабораторных условиях дома, выбирают самые перспективные, а затем отправляются в международные центры синхротронного излучения. Там с высоким энергетическим разрешением при помощи различных методик можно исследовать образцы, ставить уникальные эксперименты.

– Если грамотно поставить эксперимент, то данные, полученные в его ходе, будут очень ценны, а сами исследования – опубликованы в высокорейтинговых научных журналах. Мы видим, что наши исследования поддерживают и цитируют, что говорит об актуальности нашей работы, – рассказывает Петр.

Ученые продолжают заниматься разработкой перспективной темы и сейчас, несмотря на введенный в стране режим самоизоляции. Экспериментальную часть исследователям пришлось приостановить, но в январе они успели побывать в Германии и получить данные, необходимые для продолжения работы. Обработка результатов этих исследований может занять не один год, кроме того, ученым нужно заняться написанием статей и патентов.

– Говорят, что с 60-х годов, когда начала работать кремниевая электроника, начался век кремния. На нем кстати и сейчас все работает, но кремний начинает вытеснять углерод. Начинается его век, – говорит омский ученый. – Именно на углероде все сейчас будут делать, поэтому перед нами множество вариантов для исследований. Нам будет, куда расширяться и что изучать.

Добавим, что Петр также занимается исследованием двумерных материалов. В прошлом году он проводил в Швеции эксперименты по выращиванию аналога графена. Его статьи регулярно публикуют как в российских, так зарубежных научных изданиях, он является получателем различных региональных и федеральных грантов, а в 2019-м Петр стал лауреатом молодежной премии Правительства Омской области для поощрения молодых деятелей науки.