Каждый год люди по всему миру покупают больше пятисот миллиардов бутылок для воды. Сделаны они из пластика, который называется полиэтилентерефталат, или проще — ПЭТ. Представляете эту гору мусора? Огромная экологическая проблема, и ученые давно бьются над тем, как дать этому пластику вторую, причем достойную, жизнь.

Исследователи под руководством Юнь Хан Ху нашли способ превратить такие бутылки не просто в гранулы для переработки, а в высокотехнологичные детали для накопителей энергии. В журнале ACS’ Energy & Fuels они рассказали, как с помощью нагрева превратили отслуживший свое пластик в суперконденсатор — устройство, которое может очень быстро накопить заряд и так же быстро его отдать.

Электрический двухслойный конденсатор (или суперконденсатор)
Представьте себе губку для электричества. В обычном конденсаторе заряд накапливается на двух пластинах, как статическое электричество на расческе. А в суперконденсаторе, о котором идет речь, все хитрее. Электроды там делают из специального пористого угля, как из лабиринта крошечных пещерок. Когда их заливают электролитом (жидкостью, которая проводит ток), на границе между углем и этой жидкостью образуется так называемый двойной электрический слой. Заряды буквально «налипают» на огромную поверхность всех этих пещерок. Поскольку площадь поверхности получается чудовищно большой (один грамм такого угля может иметь поверхность размером с футбольное поле), такой конденсатор может запасать гораздо больше энергии, чем обычный, и при этом, в отличие от химической батарейки, он делает это практически мгновенно и выдерживает миллионы циклов зарядки.

Сам профессор Ху отмечает, что такая технология открывает огромные перспективы: от автомобильной промышленности до бытовой электроники. Вместо того чтобы копить горы мусора на свалках, мы можем получать из них полезные вещи.

Суть метода в том, чтобы сделать из пластика две ключевые детали суперконденсатора. Обычно такие устройства работают за счет двух угольных электродов, разделенных тонкой пленкой с дырочками (сепаратором), и все это залито электролитом. Команда Ху придумала, как сделать обе детали из одной пластиковой бутылки.

Вот как они это провернули. Сначала взяли бутылки и нарезали их на крошечные кусочки, размером примерно с крупинку кускуса. Чтобы получить электроды, эти крупинки смешали с гидроксидом кальция (гашеной известью) и раскалили почти до 700 градусов Цельсия в вакуумной печи. В итоге пластик превратился в пористый угольный порошок, который отлично проводит ток. Из этого порошка, добавив немного связующего, сформировали тонкие пластины — электроды.

А для разделительной пленки поступили еще проще: взяли маленькие кусочки того же пластика, расплющили их и прокололи раскаленными иголками. Дырочки расположили особым образом, чтобы ток через электролит мог проходить максимально свободно.

Когда собрали все вместе — два угольных электрода из бутылок, разделитель из бутылки и жидкий электролит — получился работающий суперконденсатор. Испытания показали, что самодельное устройство работает ничуть не хуже, а даже чуть лучше, чем аналоги с традиционным стекловолокнистым сепаратором. Один сохранил 79 процентов емкости, другой — 78. Разница небольшая, но важен сам факт: пластиковая бутылка может стать полноценной заменой заводским деталям.

Ученые подчеркивают, что такая технология дешевле в производстве, а главное — получившееся устройство тоже можно переработать. Это настоящий шаг к круговой экономике в сфере энергетики. По словам руководителя исследования, если продолжать дорабатывать технологию, то уже через пять-десять лет такие суперконденсаторы из переработанного пластика могут выйти из лабораторий на рынок. Спрос на экологичные и долговечные накопители энергии растет, и тут есть где развернуться.

Кажется, что главная польза здесь лежит не только в химии, но и в экономике замкнутого цикла. Сейчас проблема пластиковых бутылок стоит настолько остро, что любая технология, которая делает мусор сырьем для высокомаржинальных продуктов (а энергетика — это всегда дорого), выглядит очень перспективно.

Для науки это важный шаг в сторону отказа от редких и дорогих материалов. Обычно в суперконденсаторах стараются использовать особые формы углерода или сложные составы электродов. Здесь же ученые показали, что можно обойтись буквально «помойкой», получив при этом конкурентоспособные характеристики. Это открывает целое направление: искать не просто способы утилизации, а способы апсайклинга — то есть превращения мусора в продукт с более высокой ценностью, чем исходный материал.

Для реальной жизни плюс в том, что такие накопители могут быть дешевыми и безопасными. Это, например, системы рекуперации энергии в городском транспорте, «умные» датчики, которые работают от быстрого разряда, или пульты управления, которые заряжаются за секунды. И главное — когда такое устройство выработает свой ресурс, его, в отличие от токсичных литиевых батарей, можно будет пустить обратно в переработку, не боясь навредить природе. Получается не просто утилизация бутылок, а создание экологичной энергетики будущего.

При всей красоте идеи, у исследования есть очевидное «слабое звено» — это масштабируемость и долговечность. Ученые использовали метод прокаливания при 700 градусах в вакууме с добавлением гидроксида кальция. В лаборатории это сделать просто, но представьте масштаб: чтобы перерабатывать миллионы бутылок, потребуются огромные энергозатраты на нагрев и создание вакуума. Возникает вопрос: а не окажется ли экологический след от такого производства выше, чем польза от вторичного использования пластика? Если считать углеродный баланс, возможно, проще было бы использовать обычный активированный уголь из древесины.

Кроме того, в тексте упоминается лишь один цикл испытаний и показатель сохранения емкости (79% против 78%). Это не дает нам информации о том, как поведет себя самодельный пластиковый сепаратор после сотен или тысяч циклов зарядки-разрядки. Традиционные стекловолокнистые сепараторы очень стабильны химически и механически. ПЭТ-пленка, пробитая горячими иглами, может со временем деформироваться, терять форму или вступать в реакцию с электролитом, особенно при нагреве во время работы устройства. Без данных о долгосрочной циклической стабильности говорить о замене классических материалов преждевременно.

Ранее ученые разработали суперконденсатор из графена.