Наноструктурированные композиты на основе матриц, полученных из каменноугольного сырья, для создания электродных материалов суперконденсаторов
Ю.А. ЗАХАРОВ1, Г.Ю. СИМЕНЮК1, Т.О. СЕРГИНА1, Т.А. ЛАРИЧЕВ1,2, В.М. ПУГАЧЕВ1,2, В.Г. ДОДОНОВ1,2, И.Ю. ЗЫКОВ1
1Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН, Кемерово, Россия
zakharovya@iccms.sbras.ru
2Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия
t-larichev@yandex.ru
Ключевые слова: наноструктурированные композиты, высокопористые углеродные матрицы, электродные материалы, суперконденсаторы
Страницы: 509-523
Аннотация
Исследована морфология, пористая структура и электроемкостные характеристики высокопористых углеродных матриц (ВПУМ), полученных из каменноугольного сырья с различной степенью метаморфизма, и наноструктурированных композитов (НСК) на их основе, поверхность которых декорирована наноразмерными частицами (НРЧ) золота или оксида марганца, накапливающими при поляризации в электролите электрический заряд по двум механизмам (формирование двойного электрического слоя (ДЭС) и включение псевдоемкостной составляющей в ходе Red-Ox реакций на электродах). Образцы ВПУМ получали высокотемпературной (800 °С) щелочной активацией (массовое соотношение KOH/C = 2 : 1) ископаемых углей угольных бассейнов Кемеровской области и Республики Саха (Якутия): САК - на основе антрацита Кийзасского разреза (Кузбасс) с наиболее высокой степенью углефикации; СБК - на основе Богхеда (разновидность сапропелевых углей) Таймылырского месторождения (Якутия) с самой низкой степенью метаморфизма, СДК - на основе длиннопламенного угля (Кузбасс), занимающего промежуточное положение в ряду метаморфизма. Результаты сканирующей электронной микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния в сочетании с сорбометрией показали, что морфология НСК в значительной мере (за исключением субмикронных агрегатов) определяется пористой структурой матриц. Форма кривых циклической вольтамперометрии (ЦВА) для образцов ВПУМ СДК, СБК и наполненных Au-НРЧ НСК на их основе указывает на существенный вклад в емкость ДЭС; для композитного электрода MnOx/СДК наблюдается вклад псевдоемкости. Особенности ЦВА-кривых микропористых ВПУМ САК и НСК на их основе, вероятно, вызваны диффузионными затруднениями. Удельная электрическая емкость выше при поляризации ВПУМ СДК и СБК с бóльшими долями мезопор, а также НСК на их основе, чем при поляризации микропористых ВПУМ САК и соответствующих композитов. Для всех трех ВПУМ введение наполнителей вызывает увеличение емкости электродов. Эффект более значителен для НСК, полученных из каменных углей с низкой степенью метаморфизма (увеличение до 1.8 и 1.6 раз относительно емкости исходных матриц для НСК на основе СДК и СБК соответственно, согласно данным электрохимической импедансной спектроскопии), и связан со снижением активного сопротивления ячеек, сопротивления переноса заряда и в целом активной составляющей импеданса.
DOI: 10.15372/KhUR2023495
EDN: CRUYWJ
|
