Для решения проблемы накопления энергии разрабатываются новые, более эффективные функциональные материалы электродов таких электрохимических устройств, как суперконденсаторы, а также технологии их формирования. В частности, с помощью метода безэлектролитного электрофоретического соосаждения может быть получен композитный материал углеродные нанотрубки / RuO2•xH2O с высокими удельными показателями емкости и мощности. В работе путем седиментационного анализа определен оптимальный состав суспензии (50 мл) для электрофоретического осаждения. Показано, что входящий в состав суспензии йод (20 мг) обеспечивает в ходе йодоформной реакции с ацетоном насыщение поверхностей частиц протонами и их осаждение на катоде, заменяя таким образом электролиты, вносящие примеси в итоговое покрытие. Установлено, что при этом необходимо наличие в суспензии диспергирующего агента (гидроксипропилцеллюлозы) в количестве 5 мг для поддержания стабильности. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа исследована и подтверждена возможность удаления гидроксипропилцеллюлозы в ходе отжига на воздухе при температуре порядка 260 °C. Композитный материал, термообработанный и полученный из суспензии, с содержанием двухслойных углеродных нанотрубок и RuO2•xH2O, равным 2 и 10 мг, имеет емкость 21,5 и 8,6 мФ/см2 при скоростях циклических разверток 10 и 100 мВ/с соответственно. Установлено, что повышенная температура и длительная термообработка приводят к ухудшению электрохимических характеристик в силу деградации RuO2•xH2O и углеродных нанотрубок.
-
Ключевые слова:
суперконденсатор, электродный материал, углеродные нанотрубки, оксид рутения, электрофоретическое осаждение, безэлектролитный, суспензия, диспергирующий агент, отжиг
-
Информация о финансировании:
работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-38-90245) и в рамках государственного задания № FSMR-2023-0003.
-
Опубликовано в разделе:
Технологические процессы и маршруты
-
Для цитирования:
Алексеев А. В., Переверзева С. Ю., Рязанов Р. М., Громов Д. Г. Особенности получения композитного электродного материала суперконденсатора УНТ/RuO2•xH2O методом электрофоретического соосаждения // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 59–78. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-59-78
Рязанов Роман Михайлович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия
Громов Дмитрий Геннадьевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова Минздрава России, г. Москва, Россия
1. Miller J. R., Simon P. Electrochemical capacitors for energy management // Science. 2008. Vol. 321. Iss. 5889. P. 651‒652. https://doi.org/10.1126/science.1158736
2. Electrochemical capacitors: theory, materials and applications / eds Inamuddin, M. F. Ahmer, A. M. Asiri, S. Zaidi. Millersville: Materials Research Forum, 2018. 298 p. (Materials Research Foundations; 26).
3. Metal oxides in supercapacitors / eds D. P. Dubal, P. Gomes-Romero. Amsterdam: El-sevier, 2017. 292 p. (Metal Oxides).
4. A review of metal oxide composite electrode materials for electrochemical capacitors / M. Y. Ho, P. S. Khiew, D. Isa et al. // Nano. 2014. Vol. 9. Iss. 6. Art. No. 1430002. https://doi.org/10.1142/S1793292014300023
5. High-speed annealing of hydrous ruthenium oxide nanoparticles by intensely pulsed white light for supercapacitors / T.-H. Yoo, S. M. Kim, J. A. Lim et al. // J. Electrochem. Soc. 2013. Vol. 160. No. 10. P. A1772–A1776. https://doi.org/10.1149/2.063310jes
6. Kahram M., Asnavandi M., Dolati A. Synthesis and electrochemical characterization of sol–gel-derived RuO2 / carbon nanotube composites // J. Solid State Electrochem. 2013. Vol. 18. Iss. 4. P. 993–1003. https://doi.org/10.1007/s10008-013-2346-2
7. Sieben J. M., Morallón E., Cazorla-Amorós D. Flexible ruthenium oxide-activated car-bon cloth composites prepared by simple electrodeposition methods // Energy. 2013. Vol. 58. P. 519–526. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.04.077
8. Preparation of RuO2/CNTs by atomic layer deposition and its application as binder free cathode for polymer based Li-O2 battery / N. Algethami, H. I. Alkhammash, F. Sultana et al. // Int. J. Electrochem. Sci. 2022. Vol. 17. Iss. 9. Art. No. 220967. https://doi.org/10.20964/2022.09.62
9. Electrophoretic deposition of nanomaterials / eds J. H. Dickerson, A. R. Boccaccini. New York: Springer, 2012. XII, 376 p. (Nanostructure Science and Technology).
10. Alekseyev A., Lebedev E., Gromov D., Ryazanov R. Formation of sponge-like composite for supercapacitor electrode through electrophoretic deposition and annealing of CNT/Ni(OH)2x // 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow; St. Petersburg: IEEE, 2018. P. 1585‒1589. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2018.8317403
11. Besra L., Liu M. A review on fundamentals and applications of electrophoretic deposi-tion (EPD) // Prog. Mater. Sci. 2007. Vol. 52. Iss. 1. P. 1–61. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2006.07.001
12. Szleifer I., Yerushalmi-Rozen R. Polymers and carbon nanotubes – dimensionality, in-teractions and nanotechnology // Polymer. 2005. Vol. 46. Iss. 19. P. 7803–7818. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2005.05.104
13. Kumar A., Dixit C. K. Methods for characterization of nanoparticles // Advances in Nanomedicine for the Delivery of Therapeutic Nucleic Acids / eds S. Nimesh, R. Chandra, N. Gupta. Sawston: Woodhead Publ., 2017. P. 43–58. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100557-6.00003-1
14. Talebi T., Raissi B., Maghsoudipour A. The role of addition of water to non-aqueous suspensions in electrophoretically deposited YSZ films for SOFCs // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35. Iss. 17. P. 9434–9439. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.12.152
15. Brown D. R., Salt F. W. The mechanism of electrophoretic deposition // J. Appl. Chem. 1965. Vol. 15. Iss. 1. P. 40‒48. https://doi.org/10.1002/jctb.5010150505
16. Johnson D. W., Dobson B. P., Coleman K. S. A manufacturing perspective on graphene dispersions // Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2015. Vol. 20. Iss. 5-6. P. 367–382. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2015.11.004
17. Everett D. H. Basic principles of colloid science. London: Royal Society of Chemistry, 1988. 260 p. https://doi.org/10.1039/9781847550200
18. Laue Th., Plagens A. Named organic reactions. 2nd ed. Chichester; New York: Wiley, 2005. 320 p. https://doi.org/10.1002/0470010428
19. Preparation of MWCNT/TiO2-Co nanocomposite electrode by electrophoretic deposition and electrochemical study of hydrogen storage / M. Bordbar, T. Alimohammadi, B. Khoshnevisan et al. // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. Iss. 31. P. 9613–9620. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.05.138
20. Kebede Z., Lindquist S.-E. Donor–acceptor interaction between non-aqueous solvents and I2 to generate I–3, and its implication in dye sensitized solar cells // Solar Energy Materials and Solar Cells. 1999. Vol. 57. Iss. 3. P. 259–275. https://doi.org/10.1016/s0927-0248(98)00178-0
21. Hanaor D., Michelazzi M., Leonelli C., Sorrell C. C. The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of ZrO2 // Journal of the European Ceramic Society. 2012. Vol. 32. Iss. 1. P. 235–244. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.08.015
22. Rahaman M. N. Ceramic processing. 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2017. XXIV, 526 p.
23. Bannov A. G., Popov M. V., Kurmashov P. B. Thermal analysis of carbon nanomateri-als: advantages and problems of interpretation // J. Therm. Anal. Calorim. 2020. Vol. 142. Iss. 1. P. 349–370. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09647-2
24. Hu H., Zhao B., Itkis M. E., Haddon R. C. Nitric acid purification of single-walled car-bon nanotubes // J. Phys. Chem. B. 2003. Vol. 107. Iss. 50. P. 13838–13842. https://doi.org/10.1021/jp035719i
25. Wang X., You Zh., Ruan D. Hydrous ruthenium oxide with high rate pseudo-capacitance prepared by a new sol-gel process // Chin. J. Chem. Phys. 2006. Vol. 19. No. 4. P. 341–346. https://doi.org/10.1360/cjcp2006.19(4).341.6
26. Liu H., Gan Wp., Liu Zw., Zheng F. Composition change and capacitance properties of ruthenium oxide thin film // J. Cent. South Univ. 2015. Vol. 22. Iss. 1. P. 8–13. https://doi.org/10.1007/s11771-015-2488-8
27. Kim T.-H., Park M.-H., Ryu J., Yang C.-W. Oxidation mechanism of nickel oxide/carbon nanotube composite // Microscopy and Microanalysis. 2013. Vol. 19 (S5). P. 202–206. https://doi.org/10.1017/S143192761301266X
28. Cormier Z. R., Andreas H. A., Zhang P. Temperature-dependent structure and electro-chemical behavior of RuO2 / carbon nanocomposites // J. Phys. Chem. C. 2011. Vol. 115. Iss. 39. P. 19117–19128. https://doi.org/10.1021/jp206932w
29. Bhatt N., Gupta P. K., Naithani S. Hydroxypropyl cellulose from α-cellulose isolated from Lantana camara with respect to DS and rheological behaviour // Carbohydrate Polymers. 2011. Vol. 86. Iss. 4. P. 1519–1524. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.06.054
30. Ratha S., Samantara A. K. Supercapacitor: instrumentation, measurement and perform-ance evaluation techniques. Singapore: Springer Singapore, 2018. XVII, 52 p. https://doi.org/10.1007/978-981-13-3086-5
31. Liu X., Pickup P. G. Ru oxide supercapacitors with high loadings and high power and energy densities // Journal of Power Sources. 2008. Vol. 176. Iss. 1. P. 410–416. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.10.076
32. Fang Q. L., Evans D. A., Roberson S. L., Zheng J. P. Ruthenium oxide film electrodes prepared at low temperatures for electrochemical capacitors // J. Electrochem. Soc. 2001. Vol. 148. No. 8. P. A833–A837. http://doi.org/10.1149/1.1379739