Композитный материал из многослойных углеродных нанотрубок, оксида марганца и рения, который позволит увеличить энергоэффективность суперконденсаторов для альтернативной энергетики, разработала команда ученых Санкт-Петербургского университета (СпбГУ) и Омского научного центра СО РАН, 20 января сообщает пресс-служба университета.

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндрическую структуру из графена (двумерной углеродной решетки). При том что их толщина менее человеческого волоса, они обладают высокой прочностью и плотностью. Эти их замечательные свойства стали использовать для повышения прочности различных традиционных материалов.

Даже добавление совсем небольшого количества нанотрубок (1–3% от общего объема) увеличивало прочность и некоторые другие качества материалов для дорожного покрытия, автомобильных покрышек, литий-ионных аккумуляторов и бумаги.

Современные технологии позволяют получать как одностенные — в один слой графена, так и многослойные нанотрубки. В этом случае они состоят из нескольких концентрически связанных углеродных нанотрубок. Длина таких нанотрубок может составлять всего несколько микрометров при диаметре менее 100 нанометров (в одном сантиметре 10 млн нанометров).

Углерод является хорошим проводником тока, причем многослойные трубки превосходят в этом отношении однослойные. Кроме того, поверхность нанотрубок химически инертна. Эти их характеристики дали основание исследователям предположить, что многослойные нанотрубки можно использовать при производстве суперконденсаторов, литий-ионных аккумуляторов и других элементов.

Это предположение ученые проверили, используя оборудование ресурсных центров «Физические методы исследования поверхности» и «Рентгенодифракционные методы исследования», а также междисциплинарного ресурсного центра по направлению «Нанотехнологии» Научного парка СПбГУ.

Используя комбинации многослойных нанотрубок и оксидов переходных металлов, ученые смогли разработать новые способы повышения эффективности суперконденсаторов. Одним из таких методов является увеличение за счет большой удельной поверхности нанотрубок общей площади, обеспечивающей энергетическую эффективность электрода.

Другим методом повышения энергоэффективности и стабильности суперконденсаторов в последнее время стало использование гибридных материалов, накапливающих энергию и за счет двойного электрического слоя, и за счет обратимых электрохимических процессов, которые протекают на поверхности электродов в случае наличия, например, оксидов переходных металлов. Ими могут быть оксиды кобальта, ванадия, рутения и других.

В последнее время наиболее перспективным для этих целей рассматриваются оксиды марганца, которые обладают высокой удельной емкостью и низкой токсичностью, а также низкой себестоимостью производства.

«Мы предлагаем композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок и оксида марганца с добавкой тяжелого металла рения. Полученный композит имел высокие показатели емкости, то есть накапливаемого заряда на единицу массы, это одна из главных характеристик подобных материалов», — рассказал один из авторов разработки, научный сотрудник СПбГУ Петр Корусенко.

Экспериментируя, ученые наносили на поверхность нанотрубок слои оксида марганца и подвергали их температурной обработке для кристаллизации и формирования наночастиц. При этом удельная емкость материала возрастала более чем в два раза, но быстро снижалась.

Повысить электрохимические свойства удалось за счет подбора оптимальной температуры обработки композита и добавки оксида рения, тяжелого металла, как и марганец, имеющего несколько степеней окисления.

В этом случае оксид рения закреплялся в основном вблизи наночастиц марганца, что позволило увеличить долю электрохимически активного оксида марганца MnO₂ за счет доокисления MnОх, а материал стал более стабильным при циклических испытаниях заряда-разряда.

Высокий полученный результат, как объяснили исследователи, был обусловлен синергетическим эффектом, возникшим из-за сочетания свойств оксидов марганца, рения и углеродных нанотрубок. При этом происходит увеличение вклада в удельную емкость обратимых электрохимических процессов и вклада двойного электрического слоя при накоплении заряда.

Результаты исследований, выполненных учеными СпбГУ, могут быть использованы для повышения эффективности источников импульсной мощности, генерирующих большую энергию в короткий срок, то есть суперконденсаторов, которые в настоящее время используются в альтернативной энергетике, транспортных системах, накопителях энергии в домашних хозяйствах и других отраслях науки и техники.

Материалы исследований разработчики нового материала представили в статье «Композит на основе многостенных углеродных нанотрубок и оксида марганца с добавкой рения для суперконденсаторов: структурные и электрохимические исследования», опубликованной в журнале Applied Sciences.