Сейчас группа химиков-материаловедов Массачусетского университета в Амхерсте во главе с Дхандапани Венкатараманом, доктором философии. студент и первый автор Сеунг Пё Чжон, доктор философии. студенты Ларри Ренна, Коннор Бойл и другие сообщают, что они решили одно из основных препятствий в этой области, разработав систему на основе полимеров. Плотность накопления энергии — количество накопленной энергии — более чем в два раза выше, чем у предыдущих полимерных систем. Подробности читайте в текущем выпуске Scientific Reports.Венкатараман и Бойл говорят, что предыдущая высокая плотность накопления энергии, достигнутая в полимерной системе, находилась в диапазоне 200 Дж на грамм, в то время как их новая система способна достигать в среднем 510 Дж на грамм, с максимумом 690.
Венкатараман говорит: «Теория утверждает, что мы должны достичь 800 Джоулей на грамм, но никто не мог этого сделать. В этой статье сообщается, что мы достигли одной из самых высоких плотностей энергии, хранящейся на грамм в полимерной системе, и как мы это сделали».Авторы говорят, что по мере увеличения плотности накопления энергии — и в результате их работы она приближается к емкости литиевых батарей — приложения для новой технологии включают такие возможности, как солнечные батареи, которые собирают энергию от солнца днем, а затем хранят ее в течение длительного времени. обогрев пищи, жилых помещений, одежды или одеял в ночное время. Бойл отмечает, что такой подход будет особенно ценным в районах, где нет доступа к электросети.
Венкатараман говорит, что достижения его группы, вероятно, были бы невозможны без более ранней теоретической работы Джеффри Гроссмана из Массачусетского технологического института: «Без его статьи и его мыслей по теории, я не думаю, что мы достигли бы того, что мы находимся сегодня». Гроссман предположил, что более высокая плотность энергии могла бы быть достигнута, если бы обычно используемое соединение, молекулы азобензола, было расположено вдоль жесткой углеродной нанотрубки. Эта рамка позволит ученым управлять молекулярными взаимодействиями, которые определяют количество потребляемой и высвобождаемой энергии.Венкатараман объясняет: «Мы поняли идею управления расположением, но мы подумали: а что, если мы будем использовать гибкий полимер, а не жесткую трубку?
Что-то вроде гирлянды рождественских гирлянд, где светятся молекулы азобензола. Потому что то, что вы не можете сделать с углеродной нанотрубкой — уменьшить расстояние между молекулами.
Мы думали, что структура полимерной цепи позволит азобензольным группам сближаться друг с другом и взаимодействовать, то есть когда они набирают энергию и становятся более стабильными ».Их идея сработала, добавляет он, «но мы не поняли почему.
Открытие было неожиданным, поэтому мы не могли останавливаться на достигнутом. Каждый раз, когда мои ученики приходили ко мне с необъяснимо высокими цифрами, я отправлял их обратно, чтобы провести дополнительные контрольные эксперименты. чтобы понять и подтвердить результаты. Мы должны были отнестись к этому скептически, потому что у нас был необычный результат ».Венкатарам говорит: «Фишка в этой истории состоит в том, что мы думали, что расстояние между огнями в гирлянде было самым важным.
Это важно, но что более важно, так это то, как несколько струн и их огни аккуратно расположены. Оказывается, что используемый нами технологический растворитель действует для упорядочивания и регулирования структуры, поэтому молекулы азобензола, прикрепленные к полимеру, расположены очень аккуратно и компактно.
В основном это обеспечивает максимальную плотность упаковки ».Они использовали растворитель тетрагидрофуран (ТГФ) для этой обработки «просто потому, что это хороший растворитель для этой полимерной системы», — говорит Бойл, не подозревая, что это повлияет на то, сколько энергии будет храниться, а затем высвобождаться, когда мы впервые начали.Венкатараман говорит: «В этой статье рассказывается о том, как на молекулярном уровне ТГФ влияет на энергию, которую мы видим на макроуровне.
Он начинается с того, как молекула растворителя взаимодействует с полимером, и оказывается, что это связано с молекулярным упаковки, как они расположены в пространстве. Когда молекулы упакованы должным образом, они могут получить больше энергии. Потребовалось два года работы, но мы, наконец, смогли показать, что это правда ».Он добавляет, что сотрудничество с учеными Schrodinger, Inc., компании, занимающейся научным программным обеспечением и решениями из Нью-Йорка, также сыграло ключевую роль в оказании помощи ученым из Университета Массачусетса в Амхерсте в понимании происхождения наблюдаемых высоких плотностей накопления энергии.
Проект, возглавляемый Шоном Кваком, ведущим научным сотрудником Schrodinger, совместно с экспертами по силовым полям Эдом Хардером и Вольфгангом Даммом, получил необходимую поддержку компании.Квак говорит: «Работа напрямую с учеными с экспериментальным опытом на самом высоком уровне всегда очень ценится в Шредингере».
Он подчеркивает синергетический эффект, который наблюдал из первых рук на протяжении всего сотрудничества. «Это дает нам прекрасную возможность продемонстрировать мощь вычислительной химии на пороге самых инновационных идей, таких как показано в этой работе».Химики-материаловеды планируют дополнить это открытие работой по решению некоторых практических проблем, связанных с зарядкой системы, поэтому они еще не сделали аккумулятор, но он скоро появится.
Эта работа была поддержана UMass Amherst.