Группа ученых из Сколтеха и МГУ показала, что увеличивать емкость суперконденсаторов можно не только азотом. Их работа демонстрирует, что модификация поверхностей с помощью атомов кислорода значительно улучшает электрохимические характеристики материалов.
Как кислород улучшает свойства суперконденсаторов

Развитие возобновляемых источников энергии требует поиска новых материалов с улучшенными электрохимическими характеристиками. Углерод — один из самых распространенных материалов для изготовления электродов, входящих в состав электрохимических источников тока. Для усовершенствования углеродных материалов используют различные методы модификации поверхности материала, например, наносят дополнительные оксиды металлов, создают многослойные покрытия, искусственно увеличивают удельную поверхность. Относительно новое направление в модификации поверхностей — использование легирующих атомов (N, F, Cl и др), которые встраиваются в углеродную решетку. Такое встраивание существенно меняет электрохимические характеристики материала и не «отравляет» раствор электролита в процессе зарядки-разрядки источников тока.

Ранее ученые из Сколтеха показали, что встраивание азота в углеродную решетку приводит к увеличению электрохимической емкости в несколько раз. Сейчас та же самая научная группа из Центра проектирования, производственных технологий и материалов Сколтеха совместно с коллегами из МГУ изучила влияние гетероатомов азота и кислорода на электрохимические характеристики материала.

«Для модификации поверхности углеродных материалов мы использовали плазму постоянного тока в атмосфере азота, кислорода, а также смеси этих газов. В результате такой плазменной обработки материалов происходит внедрение атомов кислорода и азота в углеродную решетку. Изменение состава плазмы позволяет контролировать режим функционализации поверхности», — объясняет первый автор исследования, старший научный сотрудник Сколтеха Станислав Евлашин. Работа опубликована в журнале Journal of Physical and Chemistry Letters.

Модификация углеродной решетки другими атомами изменяет «совершенство» решетки, как бы нарушает ее структуру, что приводит к изменению электрохимических характеристик.

Электрохимические измерения в кислотной среде показали, что образцы, которые были модифицированы в кислородной плазме, демонстрируют самое высокое содержание кислорода и наибольшее значение электрохимической емкости. Результаты исследования говорят о том, что азот является не единственным элементом, который приводит к значительному увеличению удельной емкости суперконденсаторов: кислород иногда проявляет себя даже лучше. Ученые связывают такие результаты не только с функционализацией поверхности, то есть с наделением ее новыми свойствами, но и с изменениями, происходящими в кристаллической решетке материала. В отличие от азота, кислород может быть значительно проще внедрен в кристаллическую решетку. Полученные результаты помогут в изготовлении суперконденсаторов нового поколения.

Материал предоставлен пресс-службой Сколтеха