Пиролиз превратил блок-сополимер в пористое углеволокно

Американские ученые разработали метод создания углеродных волокон с равномерно распределенными небольшими порами. Они предложили создавать волокно из блок-сополимера, самопроизвольно формирующего равномерные наноструктуры из двух веществ, а затем удалять один из полимеров, оставляя пористую матрицу. Благодаря большой площади поверхности получаемое таким методом волокно имеет высокую емкость, что в перспективе позволит использовать его для хранения электрической энергии, рассказывают авторы статьи в Science Advances.

Сополимеры отличаются от классических полимеров тем, что их макромолекулярная цепочка состоит из мономеров двух или более типов. К примеру, в таком полимере мономеры могут чередоваться через один. В сополимерах также различают отдельный класс, называемый блок-сополимерами. В их состав также входят мономеры двух или более типов, однако они располагаются в цепочке в виде блоков из как минимум нескольких единиц, которые уже в свою очередь могут чередоваться или располагаться случайным образом. Одно из самых привлекательных для ученых свойств блок-полимеров заключается в том, что они могут образовывать в объемном материале целые области, состоящие полностью или преимущественно из мономеров одного типа. Например, блок-сополимеры из двух мономеров могут собираться в матрицу из одного материала, внутри которой периодически расположены сферические области из другого материала.

Чжэнпин Чжоу (Guoliang Liu) и его коллеги из Политехнического университета Виргинии решили использовать это свойство для синтеза пористых углеродных волокон, имеющих крайне высокую площадь поверхности. Ученые выбрали в качестве основы полиакрилонитрил и полиметилметакриллат. Сначала с помощью электроспиннингового метода из сополимера получаются волокна с диаметром около 900 нанометров. На этом шаге два вещества равномерно распределены по объему волокна.

После получения волокон исследователи подвергали их термообработке при температуре 280 градусов Цельсия в присутствии кислорода. Благодаря окислению волокна скрепляются между собой за счет образования связей между их полиакрилонитрильными областями. Кроме того, на этом этапе происходит ключевая стадия метода — полимеры начинают распределяться по объему волокон, образуя полиакрилонитрильную матрицу со сферическими включениями полиметилметакриллата. После этого обработанные волокна подвергали пиролизу при 800 градусах Цельсия в атмосфере азота, благодаря чему полиметилметакриллатные области разлагались и удалялись, оставляя пористую углеродную матрицу, полученную из полиакрилонитрила.

После получения волокон исследователи изучили их свойства. Оказалось, что удельная площадь поверхности такого материала составляет 503 квадратных метра на грамм. Средний размер микропор в материале составляет около половины нанометра, а для мезопор этот показатель составляет около десяти нанометров. Удельный объем пор составляет 0,45 квадратного сантиметра на грамм материала.

Кроме того, ученые исследовали и электрохимические свойства полученных углеродных волокон. Для этого они собрали на их основе ионистор с двумя электродами, выполненными из волокон, зажатых между двумя слоями пористого никеля. Измерения показали, что удельная (нормализованная по площади поверхности) емкость волокон составляет 66 микрофарад на квадратный сантиметр. Кроме того, во время испытаний авторы получили практически квадратную вольтаммограмму, что говорит о близком к идеальному поведении материала при накоплении и отдаче заряда.