| Версия для печати |
| Наука. Обзор |
| 17.08.20 21:36 |
Наука, техника, образование |
|
| Ученые создали новый тип материалов для энергетики будущего
Первый в мире метод промышленного синтеза высокостабильных перовскитов разработали ученые Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ) совместно с коллегами из Индии. По словам авторов, это открывает возможность эффективного применения данных веществ, признанных журналом “Science” прорывным материалом, в энергетике и электронике. Результаты опубликованы в журнале Materials Science in Semiconductor Processing.
Перовскиты — класс минералов с псевдокубической кристаллической структурой. Начиная с 2012 года, перовскиты, по словам ученых, активно исследуются как крайне перспективный материал для целого ряда областей, особенно для солнечной энергетики.
Сегодня КПД перовскитных элементов составляет уже около 25%, что сопоставимо с полупроводниками, причем технология их изготовления значительно проще. Кроме того, они могут быть размещены на любых гибких основах — от листа бумаги до одежды.
Однако практическое применение перовскитов до сих пор ограничено, так как существующие методы производства не обеспечивают необходимой стабильности материала. При комнатной температуре перовскитные пленки деградируют в течение нескольких часов.
Разработанная специалистами УрФУ и Института науки и технологий Сатьябамы (Индия) порошковая форма перовскитов показала высокую стабильность, достаточную для технического использования. Свойства материала, по словам ученых, не изменились в течение года наблюдений. "Фактически, мы первые, кто нашел способ крупномасштабного производства перовскитов. Повышение стабильности вещества обеспечивается за счет высокой кристалличности и уменьшения границ зерен. Это открывает большие возможности для полноценного применения таких материалов в будущем", — рассказал автор исследования, научный сотрудник кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ Ражеш Кумар Манавалан. Путем химической обработки высокотемпературным антирастворительным методом ученым удалось синтезировать целую серию порошков перовскитов: MAPbI3, MAPbBr3, FAPbI3, FAPbBr3, CsPbI3 и CsPbBr3. Как объяснили авторы, такой способ производства очень прост и не требует большого времени.
Также в ходе исследования специалисты УрФУ изучили структурные, оптические, морфологические свойства полученных веществ, впервые был исследован температурно-зависимый фазовый переход перовскитов. В дальнейшем научный коллектив планирует совершенствовать технологию для коммерческой реализации.
Российские химики создали новую конструкцию батареи будущего
Российские химики предложили новую конструкцию проточных редокс-батарей — накопителей электричества, которые планируют применять для долгосрочного хранения больших объемов энергии в узлах умных энергосетей. Описание разработки приведено в журнале ChemPlusChem.
Проточные батареи называют аккумуляторами будущего. В гальванических элементах этого типа электричество запасается в виде химической энергии растворов-электролитов.
В 2020 году в Китае планируют запустить самый большой в мире комплекс аккумуляторных батарей емкостью 800 мегаватт-час. Примерно столько энергии за год потребляет дом на 200 квартир. Состоять этот комплекс будет не из привычных литий-ионных или свинцово-кислотных аккумуляторов, а из проточных редокс-батарей.
Основные элементы этих батарей — две емкости, в которых хранятся электролиты, и мембранно-электродный блок (МЭБ) — в него растворы подаются насосами и там вступают в электрохимические реакции, обеспечивающие зарядку и разрядку аккумулятора.
За счет такой конструкции редокс-батареи в отличии от других накопителей энергии допускают независимое изменение мощности и емкости. Кроме того, они почти не разряжаются в режиме долгого простоя, а их электролиты не деградируют даже после десятков тысяч циклов работы.
Поэтому эти накопители считают очень перспективными для хранения большого количества электроэнергии в узлах распределенных электросетей. Например, они могут аккумулировать избытки электричества, произведенного солнечными батареями в светлое время суток, чтобы отдавать их ночью или в пасмурную погоду. Российские ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИПХФ РАН, ИФХЭ РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова предложили новую, более простую и дешевую, и при этом не менее эффективную конструкцию проточных батарей.
"Проточные батареи, с одной стороны, уже активно внедряют в энергосети Китая, Германии и других стран, а с другой стороны, их продолжают разрабатывать и дорабатывать в лабораториях", — приводятся в пресс-релизе РХТУ слова одного из авторов работы, сотрудника ЦК НТИ ИПХФ РАН Дмитрия Конева. — Мы предложили совершенно новую конструкцию ячейки МЭБ, которая облегчит труд исследователя и сильно снизит порог входа новых научных групп в эту область. В перспективе это позволит добиться существенного прогресса и выведет распределенную энергетику из кулуарных решений на самый высокий уровень коммерциализации, в том числе и в России".
Важная часть МЭБ — это пластины проточных полей, то есть слои сэндвича, по которым электролиты поступают к электродам, где окисляются или восстанавливаются. От того насколько хорошо организованы проточные поля, сильно зависят характеристики батареи: ее мощность и КПД. Поэтому исследователи часто подбирают разные типы полей, чтобы оптимизировать работу батарей, но это очень трудоемкая задача: проточные поля фрезеруются в твердых графитовых пластинках, что занимает много времени. Российские исследователи предложили другой подход.
"Мы формируем проточные поля с помощью нескольких тонких слоев углеродных материалов: в них лазером вырезаются нужные рисунки, а потом эти слои накладываются друг на друга, чтобы получилась требуемое поле — общую объемную картину, — рассказывает первый автор работы, сотрудник РХТУ Роман Пичугов. — Так процедура создания проточного поля занимает считанные минуты. Плюс используются более дешевые материалы, а в результате у исследователей получается даже больший простор для вариации и подбора проточных полей".
Проточные батареи могут работать с разными электролитами. Самые распространенные — ванадиевые электролиты, то есть растворы солей ванадия. Именно на них испытали свою конструкцию ячейки российские ученые. Они перебирали различные типы проточных полей, а также варьировали скорость подачи электролита и получили результаты, которые по качеству не уступают лучшими мировыми аналогам, а по ряду параметров, например, мощности, даже превосходят их.
Сейчас ученые ведут разработку промышленного прототипа ванадиевой проточной батареи на основе предложенной идеи.
Физики впервые наблюдали взаимодействие "кристаллов времени"
Ученые из Великобритании, Финляндии и России впервые в истории стали свидетелями взаимодействия между собой двух временных кристаллов, представляющих новую фазу материи. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Термин временной, или темпоральный кристалл определяет физическую систему, в которой симметрия нарушена со сдвигом относительно времени, подобно тому, как в обычных кристаллах нарушается симметрия пространства.
Теоретическую возможность существования временных кристаллов предсказал в 2012 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек. Он предположил, что в такой системе в состоянии равновесия и в отсутствии внешних воздействий должны спонтанно возникать периодические движения. При этом роль узлов кристаллической решетки могут играть не только атомы и электроны, но и фотоны или квазичастицы, например фононы.
Впервые квантовые временные кристаллы были экспериментально продемонстрированы в 2017 году на основе неравновесных систем, симметрию в которых нарушали с помощью лазерного или микроволнового излучений.
"Управляемые взаимодействия — это элемент номер один в списке желаний каждого, кто хочет использовать временные кристаллы для практических приложений, таких как квантовая обработка информации, — приводятся в пресс-релизе слова первого автора исследования, доктора Самули Аутти (Samuli Autti) из Ланкастерского университета. —До этого никто не наблюдал два временных кристалла в одной системе, не говоря уже о том, чтобы они взаимодействовали".
В ходе эксперимента на вращающемся криостате университета Аальто в Финляндии авторы охлаждали сверхтекучий изотоп гелий-3 до температуры, приближенной с точностью до одной десятитысячной градуса к абсолютному нулю (0,0001 кельвинов, или минус 273,15 градусов Цельсия). Затем исследователи создали два временных кристалла внутри сверхтекучей жидкости и позволили им соприкоснуться.
Ученые наблюдали, как два временных кристалла, атомы которых постоянно колеблются, вращаются или движутся сначала в одном направлении, а затем в другом, взаимодействуют и обмениваются составными частицами, перетекающими из одного "кристалла времени" в другой и обратно — явление, известное как эффект Джозефсона.
Авторы отмечают, что временные кристаллы имеют большой потенциал практического применения. Их можно использовать для создания сверхчувствительных сенсоров и самых точных атомных часов, а также систем, в основе которых заложены их показания, таких как гироскопы и GPS.
Кроме того, считается, что управление взаимодействиями временных кристаллов позволит производить квантовые вычисления при достаточно высокой температуре, поскольку временные кристаллы остаются неповрежденными — когерентными — в различных условиях.
Это, в свою очередь, приведет к прорыву в квантовой обработке информации, поскольку защита когерентности — основная трудность, мешающая развитию мощных квантовых компьютеров. |
| |
|
