Naukowcy z Soochow University w Chinach użyli ludzkich włosów jako materiału węglowego do budowy superkondensatora. Tanie źródło węgla zostało wykorzystane do konstrukcji elektrod o wysokiej pojemności. Badania mogą doprowadzić do produkcji bardziej efektywnych i przyjaznych dla środowiska zamienników tradycyjnych baterii.
Superkondensator jest rodzajem kondensatora elektrolitycznego o specyficznej konstrukcji, który wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną, w porównaniu do klasycznych kondensatorów elektrolitycznych dużej pojemności, lecz przy napięciu pracy 2-3 V. Ich największą zaletą jest bardzo krótki czas ładowania i rozładowania w porównaniu z innymi urządzeniami do przechowywania energii (np. akumulatorami). O zasadach działania oraz wytwarzaniu tanich superkondesatorów z węgla drzewnego informowaliśmy już wcześniej. Teraz, w artykule opublikowanym w czasopiśmie Energy & Environmental Science chińscy inżynierowie zaprezentowali superkondensator o wysokiej pojemności, którego elementy są skonstruowane z ludzkich włosów.
Wiele aktualnie używanych akumulatorów kwasowo-ołowiowych w samochodach, opartych jest na budowie ogniw galwanicznych składających się z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu (IV) – PbO2 oraz około 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego, spełniającego funkcję elektrolitu. Baterie te są ciężkie, nieporęczne, a zastosowane chemikalia niebezpieczne dla człowieka i środowiska. Wraz ze wzrostem sprzedaży przenośnych gadżetów elektronicznych, rośnie także zainteresowanie superkondensatorami wykonanymi z trwałych materiałów na bazie węgla, które mogą być stosowane również w autach. Niestety, potrzebne do ich wykonania materiały węglowe o dużej porowatości są zwykle trudne w produkcji albo pochodzą z drogich paliw kopalnych.
Badacze z Soochow University pod kierunkiem profesora Feng Yana wykorzystali włosy jako odnawialne źródło węgla do budowy elektrod superkondensatora. W procesie odgazowania (ogrzewania bez dostępu lub z minimalną ilością tlenu) w temperaturze 800°C włókna włosowe zostały przekształcone na bardzo drobne, porowate płatki węglowe. Ludzkie włosy jako materiał wejściowy mają kilka zalet, m.in. są ogólnodostępne, tanie oraz oprócz węgla zawierają azot i siarkę, co wpływa na zwiększenie przewodności elektrycznej. Włóknisty układ białek sprawia, że odgazowany płatek węglowy to struktura o dużej powierzchni właściwej, co przekłada się ma większą pojemność elektrod. W testach superkondensatory z elektrodami z płatków z ludzkich włosów wykazywały wysoką pojemność o wartości 340 F/g (faradów na gram) w elektrolicie 6 molowego roztworu wodorotlenku potasu (KOH). Urządzenie zachowywało się stabilnie przez ponad 20000 cykli ładowania/rozładowania. Pojemność 126 F/g zanotowano dla elektrod umieszczonych w 1 molowym roztworze LiPF6 w organicznym rozpuszczalniku węglanu etylenu/eteru dietylowego (z ang. ethylene carbonate/diethyl carbonate, EC/DEC) stosowanym w bateriach litowo-jonowych.
Naukowcy z uczelni nie biorących udziału w badaniach uważają projekt za interesujący. Podkreślają, że do tej pory materiały biologiczne stosowane były często jako absorbenty, ale rzadko w zastosowaniach elektrycznych. Pojawiają się też wątpliwości związane dostatecznym zaopatrzeniem w przypadku produkcji przemysłowej oraz czystością odnawialnego surowca. Obecnie chiński zespół prowadzi badania nad zastosowaniem materiału w konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych.
Źródło:
[1] Human Hair-Derived Carbon Flakes for Electrochemical Supercapacitors. Wenjing Qian, Fengxia Sun, Yanhui Xu, Lihua Qiu, Changhai Liu, Suidong Wang, and Feng Yan. Energy Environ. Sci. 2013, DOI: 10.1039/C3EE43111H
[2] http://blogs.rsc.org/ee/2013/12/02/human_hairsupercapacitor/ [04.01.2014]
[3] http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/EE/c3ee43111h#!divAbstract [04.01.2014]
[4] http://www.rsc.org/suppdata/ee/c3/c3ee43111h/c3ee43111h.pdf [04.01.2014]
[5] University Life 33 by Francisco Osorio, flickr.com, CC BY 2.0