Репортаж от Wedoany，Российские учёные обнаружили на вулканическом кратере полуострова Камчатка новый минерал под названием Petrovita, натриевые каналы в кристаллической структуре которого представляют потенциальную ценность для технологий аккумуляторов следующего поколения. Результаты исследования этого минерала опубликованы в журнале «Mineralogical Magazine» и сразу привлекли внимание специалистов в области материаловедения благодаря своей уникальной атомной конфигурации.
Профессор кафедры кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета Станислав Филатов более 40 лет изучает шлаковые конусы и фумаролы лавовых потоков на полуострове Камчатка, которые образовались в результате двух крупных извержений вулкана Толбачик в 1975–1976 и 2012–2013 годах. Этот регион отличается уникальным минеральным разнообразием: за последние годы здесь было обнаружено несколько десятков новых минералов, многие из которых являются эндемиками, и Petrovita — один из них.
Химическая формула Petrovita — Na10CaCu2(SO4)8, он представляет собой голубые сферические агрегаты, состоящие из таблитчатых кристаллов с газово-жидкими включениями. Его состав определила Светлана Москалёва из Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук. Кристаллическую структуру изучил Андрей Шаблинский (выпускник Санкт-Петербургского государственного университета) из Института химии силикатов имени Гребенщикова. Минерал назван в честь кристаллографа Санкт-Петербургского государственного университета Томаса Петрова, который первым в мире разработал технологию выращивания малахита ювелирного качества.
Интерес исследователей аккумуляторов к Petrovita сразу вызван крайне редкой конфигурацией атомов меди с семью атомами кислорода в кристаллической структуре. Такая конфигурация встречается лишь в немногих соединениях. Petrovita состоит из трёхмерного пористого каркаса, образованного атомами кислорода, натрия, серы и меди, причём пустоты в каркасе соединены каналами, по которым могут перемещаться относительно небольшие атомы натрия.
Учёные полагают, что ионная подвижность атомов натрия, перемещающихся по кристаллическим каналам, представляет потенциальную ценность для аккумуляторных технологий. Принцип работы аккумуляторов основан на перемещении ионов между электродами: чем легче перемещаются ионы, тем выше эффективность батареи. Структура Petrovita как раз создаёт условия, которые инженеры-аккумуляторщики пытаются искусственно воспроизвести в лаборатории: чётко определённые каналы, размер пор, подходящий для ионов натрия, и стабильный каркас, не разрушающийся при перемещении ионов. Филатов отметил, что структурный тип Petrovita перспективен для ионной проводимости и может использоваться в качестве катодного материала для натрий-ионных аккумуляторов.
Обнаружение Petrovita в качестве природного минерала не означает, что его можно напрямую добывать для использования в аккумуляторах; ключевым препятствием является низкое содержание меди в его кристаллической структуре. Медь является переходным металлом в химической формуле, участвующим в электрохимических реакциях для накопления и высвобождения энергии в аккумуляторе. Чтобы этот материал эффективно работал в качестве катода аккумулятора, необходимо увеличить долю меди. Филатов указал, что эту проблему можно решить путём синтеза в лаборатории соединения с той же структурой, что и у Petrovita. Исследователи предлагают использовать кристаллическую структуру Petrovita в качестве модели для воспроизведения и оптимизации соотношения элементов в лабораторных условиях.
Контекст появления Petrovita важен для понимания его стратегического значения. Литий-ионные аккумуляторы доминируют на современном рынке накопителей энергии, но ресурсы лития географически сконцентрированы: большая часть запасов находится в Южной Америке, а переработка контролируется Китаем. Натрий — шестой по распространённости элемент в земной коре, он встречается практически повсеместно, дёшев и не имеет геополитической концентрации, свойственной литию. Если натрий-ионные аккумуляторы достигнут производительности, сопоставимой с литиевыми, зависимость всей цепочки накопления энергии от одного стратегического металла может быть значительно снижена. Препятствием для натрий-ионных аккумуляторов является поиск эффективных катодных материалов, а поскольку ионы натрия крупнее ионов лития, каналы в электродном материале должны быть больше. Размер каналов Petrovita как раз подходит для ионов натрия, что делает его естественной моделью для построения такой структуры.
Petrovita — не единственный новый минерал, обнаруженный в районе Толбачика. Команда Филатова также нашла в той же вулканической группе Saranchinaita — минерал, структурно связанный с Petrovita, который, возможно, является продуктом реакции saranchinaite, сульфата кальция и сульфата натрия. Одна из гипотез образования Petrovita предполагает постепенное замещение никельсодержащих минералов богатыми металлами гидротермальными флюидами; эта гипотеза описывает механизм формирования в диапазоне температур и давлений, воспроизводимых в лаборатории. Для материаловедения эти открытия предоставляют строительные чертежи, проверенные природой в течение миллионов лет, задолго до того, как любой инженер попытался построить подобную структуру.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
