Węgle aktywne o wysokiej zawartości azotu

Sposób wytwarzania węgli aktywowanych o wysokiej zawartości azotu jako materiał katodowy do baterii metal-powietrze i ogniw paliwowych

Technologię tę opracowano na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu na Wydziale Chemii. Właścicielem majątkowych praw własności do projektu jest Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu.

Firma która wykorzysta rozwiązania technologiczno-materiałowe przedstawione w w/w dokumencie uzyska przewagę rynkową nad konkurentami. Wcześniejsze ustalenia szacowały wartość technologii (objętej zgłoszeniem patentowym) na 86 421 PLN w przypadku dalszych prac rozwojowych (w przypadku udzielenia licencji wyłącznej przy skumulowanych przychodach licencyjne stanowiących 6% przychodów licencjobiorcy).

Twórcami innowacyjnej technologii są dr hab. Jerzy Łukaszewicz oraz mgr Anna Ilnicka. Technologia realizowana jest w ramach badań statutowych Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Jest ona efektem pracy naukowców z Katedry Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy z Wydziału Chemii Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. Technologia powstała jako efekt badań nad nową generacją materiałów węglowych. Technologię zgłoszono do Urzędu Patentowego Rzeczpospolitej Polskiej.

Technologia ta oferuje przełom w dziedzinie nowych elektrochemicznych źródeł prądu elektrycznego. Już wcześniejsze fazy badań nad projektem wykazały możliwość wykorzystania węgli aktywnych o wysokiej zawartości azotu do skutecznego usuwania i redukcji NOx. Technologię można także zastosować w superkondensatorach z elektrolitem wodnym, zwiększając pojemność elektryczną. Dodatkowo technologia jest przyjazna środowisku, ze względu na wykorzystywanie surowca pozyskiwanego z odpadów produkcyjnych oraz stosowaniu jedynie prostych odczynników chemicznych. Przeprowadzona analiza wykazała, że kluczowym kryterium potencjału komercjalizacyjnego, oprócz przewagi technicznej, będzie także przewaga ekonomiczna.

Najpowszechniej stosowane akumulatory (mające możliwość wielokrotnego rozładowywania i ładowania) to akumulatory kwasowo-ołowiowe, litowo-jonowe, litowo-polimerowe oraz litowo-kadmowe. Tradycyjne stosowane baterie (charakteryzujące się brakiem możliwości wielokrotnego rozładowywania i ładowania) to baterie cynkowo-węglowe, srebrowe i alkaliczne. Trwają próby skonstruowania nowych elektrochemicznych źródeł prądu elektrycznego. Szczególne nadzieje wiąże się z akumulatorem cynkowo-powietrznym, składającym się z: zestawu wymiennych elektrod cynkowych, spełniających rolę anody oraz porowatej membrany z węgla aktywnego, będącego jednocześnie przegrodą między elektrolitem a powietrzem atmosferycznym. Akumulatory te są bardzo obiecujące pod względem ilości magazynowanej energii – w kilogramie masy akumulatora można zgromadzić 2-3 razy więcej energii niż w konkurencyjnych i uważanych za najlepsze akumulatory litowo-jonowe. Sprawność akumulatora wynika m.in. z właściwości katody węglowej. Wśród zalet w/w akumulatorów można wymienić: wysoką gęstość energii na kg masy akumulatora, tanie surowce do produkcji, niski poziom samorozładowania zabezpieczonego akumulatora (<2%/rok), możliwość poboru dużych prądów, w przypadku rozładowania akumulatora możliwe „mechaniczne naładowanie” poprzez wymianę zużytej katody cynkowej na nową.

Nowe elektrochemiczne źródła oraz magazyny energii elektrycznej są rozwiązaniem przyszłościowym dla rozwoju mobilnych urządzeń elektronicznych jak np. telefony komórkowe, laptopy, aparaty fotograficzne, tablety itp. Odbiorcom wysokowydajnych elektrochemicznych źródeł prądu elektrycznego będzie przemysł motoryzacyjny specjalizujący się w budowie pojazdów elektrycznych i hybrydowych. Do nowych elektrochemicznych źródeł chemicznych można zaliczyć bakterie/akumulatory powietrze-metal (cynk), ogniwa paliwowe oraz superkondensatory. Dwa pierwsze rodzaje nowych źródeł prądu bazują na procesie redukcji tlenu z powietrza jako reakcji katodowej. Proces ten przebiega wydajnie na materiałach o odpowiednich właściwościach strukturalnych, elektrycznych oraz o adekwatnym składzie chemicznym. Opracowanie takiego materiału musi wiązać się z niskimi kosztami wytwarzania, powszechną dostępnością surowców oraz łatwym recyklingiem i utylizacją.

Takimi właściwościami charakteryzują się opracowane węgle aktywowane wytwarzane z surowców biologicznych pochodzących ze źródeł odnawialnych (chityna i chitozan). Potencjalnymi odbiorcami technologii wytwarzania w/w węgli są liczni w skali światowej wytwórcy akumulatorów i ogniw do urządzeń elektrochemicznych oraz motoryzacji. Pierwotnymi odbiorcami technologii wytwarzania w/w węgli mogą być pośrednicy rozwijający zakupione technologie we wczesnym stadium rozwoju i odsprzedający je kluczowym wytwórcom baterii i akumulatorów po przystosowaniu do poziomu stosowalności praktycznej.

Opracowane w toku dotychczasowych prac badawczych zespołu technologie pozwalają na otrzymywanie materiałów węglowych: o wysokiej zawartości azotu (5-10% wag./at/) a także rozwiniętym polu powierzchni właściwej (powyżej 1000 m2/g) i sterowalnej strukturze porowatej. Otrzymane węgle wykazują wysokie przewodnictwo elektryczne, wymagane do zastosowań elektrodowych. Uzyskane węgle są doskonałym materiałem katodowym dla reakcji redukcji tlenu w warunkach wysokiego obciążenia prądowego oraz agresywnych warunkach pomiarowych (60 °C, 6 M roztwór KOH). W serii testów wykonanych przez niezależny ośrodek badawczy w Japonii uzyskano wyniki wskazujące na niską polaryzację katod wykonanych z wyżej opisanych węgli.

Nowe wysokowydajne elektrochemiczne źródła energii węgla będą lżejsze tańsze oraz łatwiejsze do utylizacji. Konkurencyjne rozwiązania o zbliżonych parametrach elektrochemicznych charakteryzują się wysoką zawartością metali szlachetnych, szczególnie platyny. Dopiero 30% zawartość platyny w węglu elektrodowym pozwala zbliżyć parametry takiej elektrody do parametrów katod wykonanych z węgli wysoko azotowych otrzymanych wg opisanej technologii. Rozwiązanie oparte na platynie jest pozbawione sensu ekonomicznego, gdyż elektroda ważąca 10 g musi zawierać aż 3 g platyny (cena 1 g platyny o próbie 960 wynosi 90 zł). Z tego względu baterie/akumulatory wyposażone w katody platynowe musiałyby być poddawane recyklingowi w celu odzyskania tego komponentu. Ceny platyny systematycznie rosną na rynku światowym wskutek rozwoju innych technologii wykorzystujących ten metal. Z biegiem czasu koszt wytwarzania elektrod platynowych będzie nadal rósł. Materiały katodowe z wykorzystaniem tańszych tlenków metali przejściowych (np. LaMnO3) wykazują zdecydowanie gorsze właściwości elektrodowe i nie są konkurencyjne zarówno dla węgli wzbogaconych platyną, jak i węgli wysoko azotowych.

Na obecnym etapie badań uzyskane wyniki są wyróżniające ze względu na polaryzowalność katody podczas redukcji tlenu. W oparciu o publikacje naukowe okazuje się, że wyniki te są najlepsze. Zebrane doświadczenia badawcze pozwalają twierdzić, że zachowanie elektrodowe w/w węgli można zdecydowanie polepszyć, stosując modyfikacje dotychczasowego sposobu wytwarzania poprzez:
• modyfikację prekursora chitynowego lub chitozanowego wysoko przewodzącymi formami węgla jak: grafen, nanorurki węglowe, sadza grafityzowana, grafit;
• modyfikację prekursora chitynowego lub chitozanowego jonami wybranych metali przejściowych w celu zmiany właściwości redukujących węgli.