Петербургские физики разработали новый способ соединения углеродных нанотрубок с подложкой для суперконденсаторов
Ученые Санкт‑Петербургского государственного университета, Омского государственного технического университета, Омского научного центра СО РАН и Коми научного центра УрО РАН разработали метод соединения многостенных углеродных нанотрубок с титановой подложкой. Такой подход позволяет обойтись без полимерных связующих и может быть использован для разработки новых композитных электродных материалов суперконденсаторов с улучшенными характеристиками.
Одностенные углеродные нанотрубки – это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров, образованные одним слоем атомов углерода. Они обладают высокой электропроводностью, механической прочностью и химической стабильностью.
Многостенные нанотрубки чаще всего состоят из множества вложенных друг в друга одностенных нанотрубок, которые применяются в разных областях. Например, в машиностроении для увеличения прочности и износостойкости кузовных элементов и шин, а в микроэлектронике – для создания сверхэффективных устройств нового поколения.
Ученые Санкт‑Петербургского университета давно изучают применение нанотрубок в качестве основы при разработке новых электродных материалов для суперкондесаторов. Так, эксперты Университета считают использование многостенных нанотрубок более перспективным вариантом за счет разнообразия их форм и конфигураций по сравнению с одностенными. Кроме того, разделение многостенных нанотрубок из пучков и их последующее диспергирование достаточно хорошо изучено.
В настоящее время особое внимание уделяется разработке высокоэффективных, то есть обладающих повышенной мощностью, длительным сроком службы и высокой скоростью заряда-разряда, суперконденсаторов на основе новых композитных электродных материалов.
Использование суперконденсаторов нанокомпозитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и электропроводящих полимеров в качестве материала для таких электродов, позволяет повысить емкостные характеристики суперконденсатора. Это становится возможным за счет большой поверхностной площади, увеличивающей емкость двойного электрического слоя, и дополнительного вклада псевдоемкости от полимера.
Одной из проблем при практическом применении таких материалов является слабая адгезия, то есть сцепление нанотрубок с токосъемной подложкой. На данный момент это решают путем добавления полимерных связующих (биндеров) во время приготовления самого электрода. В качестве таких биндеров могут выступать поливинилиденфторид, карбоксиметилцеллюлоза, бутадиен‑стирольный латекс и другие материалы. Однако, как отмечают ученые СПбГУ, биндеры снижают электропроводимость, а также влияют на пористую структуру получаемого материала.
Как пояснил один из авторов работы, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра электроники твердого тела) Петр Корусенко, группой исследователей был предложен новый подход, который позволяет повысить адгезию — сцепление — многостенных нанотрубок к поверхности металлической (титановой) подложки. Разработанный способ предполагает изменение интерфейса на границе «слой нанотрубок – подложка» за счет использования непрерывного пучка ионов гелия.
Чтобы определить эффективность предложенного метода, физики Санкт‑Петербургского университета провели ряд исследований для выявления оптимального времени облучения нанотрубок. Оказалось, что наилучший результат достигается после 20 минут облучения: в этом случае адгезия улучшается на 57 % по сравнению с исходной системой. Как объясняют ученые Университета, такой результат связан с образованием C‑O‑Ti‑связей с участием титана и функциональных кислородсодержащих групп на поверхности нанотрубок.
Предложенный исследователями подход позволяет обойтись без полимерных связующих (биндеров) с сохранением развитой поверхности исходного материала на поверхности титановой подложки, причем эта технология может быть применима не только при создании суперкондернсаторов, но и для литий‑ионных аккумуляторов.
Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, «Новые нанокомпозиты на основе электропроводящих полимеров poly‑[M(Salen)] (M=Co, Ni, Cu) и углеродных наноструктур для супер‑конденсаторов: атомно‑электронное строение и электрохимические свойства по данным XPS, NEXAFS, EXAFS спектров и электрохимических измерений».
Фото: СПбГУ