Электрическая сосна из Красноярска

Учёные из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» разработали углеродосодержащие материалы на основе модифицированной сосновой коры. Что это за материалы и чем они хороши, рассказывает Светлана Цыганова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН.

— Светлана Ивановна, кто придумал по-новому использовать кору сосны?

— Это была коллективная идея. Наша группа в лаборатории «Каталитические превращения возобновляемых ресурсов» (Институт химии и химической технологии) занимается изучением процессов превращения биомассы, её структуры и разработкой методов создания на её основе различных целевых продуктов.

Поскольку мы живём в Красноярском крае, богатом лесными ресурсами и огромными возможностями их рационального использования (что, к сожалению, не всегда происходит), то изучение древесины и её основных составляющих (целлюлозы, лигнина, коры и др.), а также её переработка в полезные продукты — это для нас не просто интересная и важная работа, но и глубокое миропонимание, осознание процессов жизни на Земле. Для меня существует ассоциативное представление Древа жизни, Земли как большого конденсатора, и если объединить его со знанием объективных физико-химических законов, которые работают на микро- и макроуровне, то становится ясно, что отходы древесины, которые образуются в больших количествах — это вовсе не отходы, а просто материал, который ещё не нашёл своего предназначения.

Постепенно мы поняли, что если соединить научный подход, знание объективных законов природы и современные нужды человеческого общества, то отходы лесозаготовки могут стать очень ценным сырьём для создания материалов нового поколения. Результаты нашего исследования опубликованы в журнале Wood Science and Technology.

— Каким образом вы шли к цели?

— В настоящее время тесно связанные проблемы «трёх Э» — экологии, энергетики и экономики — требуют разработки эффективных «зелёных» материалов и технологий. Например, создание суперконденсаторов, которые могут накапливать огромное количество электроэнергии.

Светлана Цыганова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИХХТ СО РАН. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН.

Для их конструирования применяют дорогостоящие материалы, обладающие высокой пористостью и ёмкостью. Вот здесь и появилась идея — почему бы не использовать древесную кору как сырьё для хранения энергии? Ведь она обладает низкой стоимостью и экологичностью. Тем более, мы уже хорошо научились делать пористые материалы из различного рода древесины.

— В чём суть вашей работы, какова её цель и научное значение? 

— Суть работы заключалась в исследовании структурных, электрохимических и электронных свойств углеродных материалов, приготовленных из опилок сосновой коры и модифицированных малотоксичными реагентами. Мы показали, что возможно их использование в качестве экологически чистого электродного материала в суперконденсаторах. Это поможет не только в утилизации самих древесных отходов, но и в превращении их в полезный продукт. Что, согласитесь, даёт экономический аргумент в пользу суперконденсаторных технологий.

— Почему вы использовали древесную кору, а не, скажем, опилки? И почему именно сосновую?

— Дело в том, что древесная кора относится к основным отходам лесоперерабатывающих предприятий. Ежегодные объёмы отвалов в РФ составляют 20–25 млн тонн, а на её использование приходится всего лишь около 1% от общей массы. При этом объём отходов сосновой коры наибольший ввиду того, что древесина сосны одна из самых распространённых пород в России и широко используются при производстве пиломатериалов, кругляка.

Отвалы коры под воздействием погодных условий — солнца, дождей, ветра — представляют угрозу не только возникновения пожаров, но и отравления всей экосистемы в результате выделения вредных фенольных соединений в воду и почву. Поэтому их переработка представляется очень острой задачей.

С точки зрения химика, древесная кора — это кладезь полезных органических и минеральных соединений, а многоканальная система структуры коры открывает широкий простор вариаций конструирования различных структур углеродных материалов. Более того, пористая структура может обеспечивать необходимый контакт с ионами электролита и создавать электрохимические системы, не требующие больших материальных затрат.

— Каким способом вы получали конечный продукт?

— Мы предложили использовать несложный метод химической активации сосновой коры, включающий процесс её модификации недорогими малотоксичными реагентами, такими как пероксид водорода и гидроксид натрия, а также хлоридом цинка с последующей карбонизацией. В опилки сосны определённой фракции добавляли водный раствор реагента. Приготовленную смесь выдерживали какое-то время на воздухе и затем высушивали.

Нагрев смеси (карбонизацию) проводили в инертной среде на проточной установке до температуры 800°С. Затем изучали структуру и свойства полученных продуктов, чтобы выявить основные причины накопления электрического заряда в углеродных материалах.

Кора сосны (справа) и полученный из неё углеродный продукт (слева). Композиты, приготовленные из смеси коры сосны и хлорида цинка, обладают высокой электронной проводимостью и способны накапливать в себе электрический заряд. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН.

Наилучшие характеристики по пористости и удельной ёмкости получили композиты, приготовленные из смеси коры сосны и хлорида цинка. На основании полученных результатов было высказано предположение, что одна из причин накопления электрического заряда в углеродном композите — наличие локальных наноструктур с высокой электронной проводимостью. А также было отмечено, что содержащиеся в коре минеральные примеси оксидов металлов, скорее всего, играют роль дополнительных активных центров переноса электрического заряда при электролизе и способствуют увеличению удельной ёмкости материала.

— Какие конкретно продукты можно получить в результате? Где они могут применяться? 

— С помощью этого метода можно получать различные высокопористые сорбенты, электроды, биосенсоры, магнитные материалы и т. д., которые имеют широкий спектр применения в сфере экологии, медицины, металлургии. Так, синтез магнитовосприимчивых адсорбентов, которые мы недавно получили, даёт возможность их использования для очищения водной среды от разлива нефти путём электромагнитной сепарации или выделения золота из разбавленных золотопромышленных шламов.

— Чем такой способ отличается от уже существующих? 

— Если мы говорим об углеродных материалах, используемых в определённых типах электрохимических суперконденсаторов, то к ним относятся углеродные нанотрубки, восстановленный оксид графена, карбидный активированный углерод, полиакрилонитриловое волокно, подвергнутое карбонизации и активации, активированный углеродный волокнистый материал, активированная углеродная ткань и другие. Всё это требует высокотехнологичного дорогостоящего оборудования, многоэтапных стадий, реагентов, включая довольно токсичные.

Использование же древесной коры при создании активированных углеродных композитов в качестве электродов, на наш взгляд, очень перспективно и совсем несложно. К тому же этот метод позволяет утилизировать отходы, что даёт экологическое и экономическое преимущество в пользу разработки альтернативного электродного материала из древесной коры. Конечно же, это только начало работы, необходимы дополнительные исследования, тестирование, оптимизация условий их приготовления. Но я верю: всё получится!