Российские ученые создали материал, повышающий энергоэффективность объектов возобновляемой энергетики

Санкт-Петербург, 21 янв - ИА Neftegaz.RU. Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) и Омского научного центра Сибирского отделения РАН создали композитный материал из многослойных углеродных нанотрубок, оксида марганца и рения. Этот материал позволит повысить энергоэффективность суперконденсаторов, используемых в альтернативной энергетике.

Об этом сообщила пресс-служба СПбГУ.

Результаты исследования опубликованы в швейцарском научном журнале Applied Sciences.

Углеродные нанотрубки - перспективный материал, представляющий собой углеродную цилиндрическую структуру, созданную из графена (углеродной решетки).

Нанотрубки отличаются высокой прочностью и плотностью, при этом их толщина менее человеческого волоса.

При добавлении небольших объемов вещества (1-3 % от общего объема) в определенную среду нанотрубки способны значительно улучшать характеристики этой среды.

Ранее уже проводились эксперименты по добавлению нанотрубок в дорожное покрытие, автомобильные покрышки, литий-ионные аккумуляторы и даже в бумагу.

В результате вещество становилось более прочным и эффективным.

Нанотрубки бывают одностенные и многослойные.

Одностенные имеют одномерную структуру, а многослойные состоят из нескольких концентрически связанных углеродных нанотрубок.

Они могут быть длиной всего несколько микрометров с диаметром менее 100 нанометров (в одном сантиметре 10 млн нанометров).

Многослойные нанотрубки лучше проводят ток, а их поверхность химически инертна, т.е. не позволяет запускать какие-либо реакции.

Все это позволяет предположить, что многослойные нанотрубки - наиболее выгодное вещество для использования при производстве суперконденсаторов, литий-ионных аккумуляторов и других элементов.

Ученые СПбГУ разработали новые способы повышения эффективности суперконденсаторов за счет использования комбинации многослойных нанотрубок и оксидов переходных металлов.

Один из подходов - увеличение площади поверхности, обеспечивающей энергетическую эффективность электрода.

Обычно в качестве основы электродов промышленных суперконденсаторов используют различные виды углерода (сажа, активированный углерод, технический углерод, графен, углеродные нанотрубки и другие варианты), обладающие высокой удельной площадью поверхности.

В последнее время для повышения энергоэффективности и стабильности суперконденсаторов ученые разрабатывают гибридные материалы, которые накапливают энергию как за счет двойного электрического слоя, так и благодаря обратимым электрохимическим процессам, протекающим на поверхности электродов при наличии, например, оксидов переходных металлов (оксиды кобальта, ванадия, рутения и др.).

Особое внимание ученых привлекают оксиды марганца, обладающие высокой удельной емкостью, низкой токсичностью и себестоимостью производства.

Ученые создали композитный материал на основе многослойных углеродных нанотрубок и оксида марганца с добавкой тяжелого металла рения.

Этот материал отличается высокими показатели емкости - накапливаемого заряда на единицу массы.

Именно этот показатель характеризует эффективность таких материалов.

Во время эксперимента ученые наносили на поверхность нанотрубок слои оксида марганца, затем проводили температурные обработки для кристаллизации и формирования наночастиц.

Это позволило увеличить удельную емкость более чем в 2 раза, однако данный показатель быстро снижался.

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

Как показали эксперименты, оксид рения закреплялся преимущественно вблизи наночастиц марганца и позволил увеличить долю электрохимически активного оксида марганца MnO₂ путем доокисления MnO_х.

Благодаря этому ученым удалось сделать материал более стабильным при циклических испытаниях заряда-разряда.

Такой эффект получился благодаря синергетическому эффекту, достигаемому за счет сочетания свойств оксидов марганца и рения, а также углеродных нанотрубок.

С одной стороны, это приводит к увеличению вклада обратимых электрохимических процессов в удельную емкость, с другой - позволяет заметно увеличить вклад двойного электрического слоя при накоплении заряда.

Полученные учеными СПбГУ результаты позволят значительно повысить эффективность источников импульсной мощности, которые генерируют большое количество энергии в короткий срок.

Сегодня суперконденсаторы используются в альтернативной энергетике, транспортных системах, накопителях энергии в домашних хозяйствах и других отраслях науки и техники.

Повышение их энергоэффективности важно для многих сфер, поскольку генерация мощного импульса энергии - главная задача суперконденсаторов.