Ученые синтезировали новые материалы для хранения и преобразования энергии

03.06.2021



Российские ученые синтезировали новые кристаллические материалы на основе изофталевой кислоты, которые устойчивы к высоким температурам и способны проводить ток. Такие свойства позволят использовать их в ионных аккумуляторах, топливных элементах и солнечных батареях. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry A European Journal. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).

Изофталевая кислота используется в химической промышленности для производства бутылочного пластика, резины и материалов для изоляции. Ранее ученые обнаружили, что некоторые ее производные — гидроксиизофталаты, имеют необычные для органических материалов характеристики, ценные для оптики и электроники. Например, они проявляют магнитные свойства, испускают свет при облучении ультрафиолетом, а также присоединяют различные металлы. За счет образования связей с металлами такие материалы начинают проводить электрический заряд, поэтому становятся перспективными для использования в качестве полупроводников.

Научная группа из Самарского государственного технического университета и ИНЭОС РАН синтезировала шесть стабильных кристаллических соединений на основе 4,5,6-тригидроксифталевой кислоты и металлов. Чтобы описать молекулярную структуру полученных материалов, использовали рентгеновское излучение, также оценивали спектр поглощения в инфракрасном и видимом свете и термоустойчивость.

Оказалось, что кристалл состоит из параллельно уложенных рядов молекул кислоты, между которыми располагаются удерживаемые ею металлы. Такие «колонны» обеспечивают транспорт электронов и протонов вдоль них. Кроме того, благодаря плотной упаковке между молекулами образуются дополнительные связи, создающие в кристалле так называемые молекулярные кластеры. Они увеличивают стабильность и термоустойчивость материала вплоть до 400°С. Подобные свойства позволяют использовать тригидроксиизофталаты в качестве полупроводников со сниженной чувствительностью к скачкам напряжения и частоты переменного тока. Такие полупроводники полезны в устройствах для хранения и преобразования энергии, например, в ионных аккумуляторах и солнечных батареях.

Также химики заметили, что при разных условиях синтеза металлы в кристалле связывают разное количество воды, а это влияет на упорядоченность молекулярных слоев. Так, чем больше воды впитывается, тем менее организованной будет структура. Чтобы получить более плотный кристалл, содержащий минимальное количество воды, синтезировать его лучше в неводном растворителе без сильного нагревания.

«Полученные нами результаты показали, что на основе 4,5,6-тригидроксиизофталевой кислоты можно синтезировать полимерные материалы с протонпроводящими свойствами. Шесть новых структур, представленных в этом исследовании, являются возможными широкополосными полупроводниками. Этот тип материалов позволяет устройствам работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем обычные органические полупроводники, тем самым расширяя сферы и возможности применения энергоносителей и аккумуляторов на их основе», — рассказывает руководитель проекта Евгений Александров, кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Самарского государственного технического университета.

 

(jpg, 37 Kб)

Рисунок 1. Структурная формула 4,5,6-тригидроксифталевой кислоты. Источник: Sokolov A. V. et al. / Chem. Eur. J.

(jpg, 517 Kб)

Рисунок 2. Модели кристаллической структуры при связывании разного количества молекул воды. Источник: Sokolov A. V. et al. / Chem. Eur. J.

©РАН 2021