Метод соединения многостенных углеродных нанотрубок с титановой подложкой, позволяющий улучшить характеристики суперконденсаторов, разработала команда российских ученых, в состав которой вошли специалисты Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), 3 мая сообщает пресс-служба университета.

Разработанный подход, одним из достоинств которого является отсутствие необходимости в полимерных связующих, может быть использован для разработки новых, с улучшенными свойствами, композитных электродных материалов для суперконденсаторов.

Одностенные углеродные нанотрубки образуются одним слоем атомов углерода, они обладают высокой электропроводностью, механической прочностью и химической стабильностью. Многостенные нанотрубки обычно представляют собой множество вложенных друг в друга одностенных нанотрубок и обладают всеми достоинствами одностенных.

Их применяют как в машиностроении — для увеличения прочности и износостойкости материалов, например, элементов кузова и шин, так и в микроэлектронике — для создания сверхэффективных устройств нового поколения.

Среди таких устройств сейчас особое внимание уделяется разработке на основе новых композитных электродных материалов высокоэффективных суперконденсаторов, обладающих повышенной мощностью, длительным сроком службы и высокой скоростью заряда-разряда.

Ученые СПбГУ, давно занимаясь исследованием возможностей применения нанотрубок в качестве основы при разработке новых электродных материалов для суперконденсаторов, пришли к выводу, что более перспективно использование для этих целей многостенных нанотрубок, которые обладают разнообразием форм и конфигураций.

При этом использование в качестве материала для электродов нанокомпозитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и электропроводящих полимеров повысит емкостные характеристики суперкондесаторов за счет большей поверхностной площади, что увеличит емкость двойного электрического слоя. Кроме того, дополнительный вклад внесет псевдоемкость полимера, создаваемая за счет окислительно-восстановительных реакций.

Однако проблемой при применении таких материалов становится слабая адгезия, то есть плохое сцепление нанотрубок с токосъемной подложкой. Для повышения адгезии во время изготовления электрода применяют полимерные связующие — биндеры, в качестве которых используются поливинилиденфторид, карбоксиметилцеллюлоза, бутадиен стирольный латекс и некоторые другие материалы.

К сожалению, биндеры существенно снижают электропроводимость и ухудшают пористую структуру получаемого материала.

Один из авторов работы, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра электроники твердого тела) Петр Корусенко рассказал о проекте, участие в котором приняли ученые Омского государственного технического университета, Омского научного центра СО РАН и Коми научного центра УрО РАН:

«Мы с коллегами предложили новый подход, который позволяет повысить адгезию — сцепление — многостенных нанотрубок к поверхности металлической (титановой) подложки. Разработанный нами способ предполагает изменение интерфейса на границе „слой нанотрубок — подложка“ за счет использования непрерывного пучка ионов гелия».

Физики СПбГУ провели ряд исследований эффективности предложенного метода. Они определили оптимальное время облучения нанотрубок, которое оказалось равным 20 минутам. При таком облучении адгезия улучшается на 57% по сравнению с исходной. Ученые связывают такой результат с образованием C-O-Ti связей с участием титана и функциональных кислородсодержащих групп на поверхности нанотрубок.

Использование предложенного подхода позволит отказаться от биндеров, а также сохранить структуру исходного материала на поверхности титановой подложки. Ученые отмечают, что такая технология применима и для создания электродов литий-ионных аккумуляторов.

Исследование проводилось в рамках проекта «Новые нанокомпозиты на основе электропроводящих полимеров poly M (Salen) и углеродных наноструктур для суперконденсаторов: атомно электронное строение и электрохимические свойства по данным XPS, NEXAFS, EXAFS спектров и электрохимических измерений».

Его результаты были представлены в статье «Улучшение адгезии многостенных углеродных нанотрубок к титану путем облучения границы раздела ионами He⁺: исследование атомно-силовой микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии», опубликованной в журнале Nanomaterials.