Понимание молекул в новых деталях дает лучшие материалы
Хоакин Родригес-Лопес, 35
Электрохимия
Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн
Хоакин Родригес-Лопес погрузился в мир электрохимии. Когда в колледже он понял, что может подключить машину к проводам и преобразовать химические вещества в энергию, он был «полностью продан», говорит он.
Сегодня он преодолевает одно большое препятствие на пути расширения доступной возобновляемой энергии в электросети США: хранение. Проточные батареи, хранящие большое количество энергии, вырабатываемой ветром и солнцем, должны более эффективно удерживать эту энергию в периоды, когда солнце не светит или ветер стихает.
В своей лаборатории в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн 35-летний Родригес-Лопес разработал новый тип материала для хранения электрического заряда в этих батареях, что сделало их более эффективными. И он не останавливается на достигнутом. «Мы разрабатываем новые взгляды на материалы и разрабатываем более качественные материалы», - говорит он.
Его сотрудник из Университета Иллинойса Джеффри Мур хвалит его «глубокие знания и… готовность ими поделиться». Родригес-Лопес всегда стремился к обществу. Выросший в Мексике, он часами развлекался дома с Encyclopedia Britannica. Но в школе, по его словам, он тусовался с детьми, которые не так хорошо успевали в учебе. Ему нравилось помогать им.
Сегодня он по-прежнему заинтересован в сотрудничестве, работая с Муром и другими через Объединенный центр исследований в области хранения энергии, инициативу, финансируемую Министерством энергетики США, чтобы принести новые технологии аккумуляторов и топливных элементов из исследовательских лабораторий. к коммерциализации.
«Он действительно продемонстрировал способность заставить команду работать вместе для достижения общей цели», - говорит Мур.
Важной целью материаловедения сегодня является создание более качественных аккумуляторов (серийный номер: 21.01.17, стр. 22). По словам Родригес-Лопес, вездесущие литий-ионные батареи отлично питают сотовые телефоны и ноутбуки, но это не обязательно лучший способ хранить большое количество энергии, вырабатываемой ветряными турбинами или солнечными панелями. Поэтому основное внимание в его лаборатории было направлено на улучшение проточной батареи.
Проточная батарея состоит из двух больших резервуаров с растворами, один из которых заряжен положительно, а другой - отрицательно. Резервуары разделены мембраной, где два раствора встречаются и вступают в химические реакции, которые генерируют поток электронов или электрический ток. Чтобы литий-ионный аккумулятор хранил больше электрического заряда, необходимо увеличить его положительно и отрицательно заряженные электроды, которые сделаны из дорогих материалов. Но чтобы увеличить проточную батарею, просто увеличьте размер резервуаров с жидкостью за ненамного большую стоимость.
«Вместо больших электродов у вас большие резервуары», - говорит Родригес-Лопес. Это более простой способ сохранить большое количество энергии, вырабатываемой ветром или солнцем, для последующего использования.
Не входить
Хоакин Родригес-Лопес и его коллеги разработали полимеры слишком большие, чтобы просачиваться через мембрану между положительно и отрицательно заряженными растворами проточной батареи, поэтому батарея не тратит энергию впустую.
Но в современных проточных батареях частицы, вызывающие реакцию, иногда просачиваются через мембрану, расходуя энергию. Родригес-Лопес и его коллеги разработали новый тип объемных частиц, которые по-прежнему хорошо растворяются в жидкости, но не могут преодолевать барьер. Эти полимеры, описанные в 2014 году в Журнале Американского химического общества, связывают десятки или даже сотни более мелких единиц в множество форм. Частицы накапливают и разряжают электрическую энергию в батарее посредством ряда химических реакций, которые продвигаются по полимеру единица за единицей, подобно пламени, поднимающемуся по спичке.
Когда Родригес-Лопес начал это исследование несколько лет назад, это был побочный проект для Объединенного центра исследований в области хранения энергии, в котором Джордж Крэбтри, материаловед из Аргоннской национальной лаборатории в Аргонне, штат Иллинойс., является директором. Теперь, по словам Крэбтри, благодаря Родригесу-Лопесу работа находится в центре внимания центра.
Родригес-Лопес думает не только о разработке новых материалов. Он также использует новые методы, чтобы выяснить, почему и как эти материалы ведут себя так, как они себя ведут, чтобы более рационально устранять неполадки и, в конечном счете, заставить молекулы делать именно то, что он хочет.
Например, он стал экспертом в области сканирующей электрохимической микроскопии, поэтому он может наблюдать за движением электронов по мере того, как химические реакции протекают вдоль его длинных молекул. Он использует эту технику, чтобы добиться идеальных свойств своих аккумуляторов.
Заглядывая вперед, Родригес-Лопес говорит, что хотел бы привнести больше биологического влияния в свою работу по разработке молекул. В конце концов, говорит он, клетки заполнены громоздкими белками, точно настроенными для выполнения определенных задач. Например, некоторые могут восстанавливать себя при поломке, а другие могут самоуничтожаться. Он говорит, что понимание сложности природы может помочь ему разработать материалы для батарей, которые реагируют более изощренно.