БУМАГА ИЗ СВЕРХДЛИННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК КАК ЭЛЕКТРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
Аннотация
В работе представлены результаты разработки и комплексного исследования гибких электродных материалов на основе сверхдлинных двустенных углеродных нанотрубок (ДУНТ) для применения в суперконденсаторах. Синтезированные нанотрубки были предварительно очищены от примесей и диспергированы в водной среде до однородного состояния. Методом вакуумной фильтрации дисперсий получены бумагоподобные материалы, формируемые за счет механического переплетения протяженных нанотрубок, без использования связующего, что позволило сохранить высокую электропроводность материала. Для улучшения электрофизических, ёмкостных и физико-химических свойств бумаги из ДУНТ проведено осаждение дисперсий с включением токопроводящих добавок: терморасширенного графита, активированного угля, ацетиленовой сажи и одностенных углеродных нанотрубок производства OCSiAl. Полученные листы были прокатаны на вальцах для уплотнения и придания большей механической прочности и использованы в качестве электродов в суперконденсаторах. В ходе электрохимических испытаний все образцы электродов демонстрируют устойчивость в 38 мас.% H2SO4 электролите и характерное для конденсаторов поведение при перезаряде. Электроды из ДУНТ без добавок имеют удельную площадь поверхности 239 м2/г, электропроводность (3,1 ± 0,6)·104 См/м и удельную емкость 9 Ф/г в пересчете на общую массу обоих электродов, что свидетельствует о перспективности разработанных материалов для создания гибких энергонакопительных устройств. В электродах из композитных материалов (ДУНТ+токопроводящая добавка) наиболее выраженный положительный эффект наблюдается при использовании добавок с высокой удельной площадью поверхности – активированного угля и одностенных углеродных нанотрубок. Их введение позволило увеличить емкость электродного материала, а также повысить устойчивость удельной разрядной емкости при повышенных скоростях разряда.
Для цитирования:
Дё В.В., Филимоненков И.С., Урванов С.А., Казеннов Н.В., Караева А.Р., Мордкович В.З. Бумага из сверхдлинных углеродных нанотрубок как электродный материал для суперконденсаторов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 43-52. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.5y.
Литература
Singh A., Srivastava V.C., Janowska I. Utilization of carbon-black industry waste to synthesize electrode mate-rial for supercapacitors. Energy Storage. 2024. V. 6. N 677. DOI: 10.1002/est2.677.
Zhurilova M.A., Yanilkin I.A., Kiseleva E.A., Atamanyuk I.N., Shkolnikov E.I. Nanoporous activated carbons for super capacitors with aqueous and organic electrolytes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2017. V. 6. N 4. P. 82-87. DOI: 10.6060/tcct.2017604.5520.
Ma X., Liu M., Gan L., Zhao Y., Chen L. Synthesis of micro- and mesoporous carbon spheres for supercapacitor electrode. J. Solid State Electrochem. 2013. V. 17. P. 2293–2301. DOI: 10.1007/s10008-013-2110-7.
Jang I., Lee S., An G. High-performance carbon-fiber-based supercapacitors: Enhanced performance through the porosity modification of electrodes containing a redox mediator. Appl. Surf. Sci. 2023. V. 637. N 157894. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.157894.
Liu X., Xu W., Zheng D., Li Z., Zeng Y., Lu X. Carbon cloth as an advanced electrode material for supercapaci-tors: progress and challenges. J. Mater. Chem. A Mater. 2020. V. 8. P. 17938–17950. DOI: 10.1039/D0TA03463K.
Lee J.-H., Lee S.-Y., Park S.-J. Highly Porous Carbon Aerogels for High-Performance Supercapacitor Electrodes. Nanomaterials. 2023. V. 13. N 817. DOI: 10.3390/nano13050817.
Yang Z., Tian J., Yin Z., Cui C., Qian W., Wei F. Car-bon nanotube- and graphene-based nanomaterials and ap-plications in high-voltage supercapacitor: A review. Car-bon. 2019. V. 141. P. 467–480. DOI: 10.1016/j.carbon.2018.10.010.
Pan H., Li J., Feng Y. Carbon Nanotubes for Supercapacitor. Nanoscale Res. Lett. 2010. V. 5. P. 654–668. DOI: 10.1007/s11671-009-9508-2.
Shchegolkov A.V., Burakova E.A., Dyachkova T.P., Orlova N.V., Komarov F.F., Lipkin M.S. Synthesis and functionalization of carbon nanotubes for supercapacitor electrodes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 7. P. 74-81. DOI: 10.6060/ivkkt.20206307.6239.
Qian D., Wagner G.J., Liu W.K., Yu M.-F., Ruoff R.S. Mechanics of carbon nanotubes. Appl. Mech. Rev. 2002. V. 55. P. 495–533. DOI: 10.1115/1.1490129.
Liu X.-M., Huang Z.D., Oh S.W., Zhang B., Ma P.-C., Yuen M., Kim J.-K. Carbon nanotube (CNT)-based com-posites as electrode material for rechargeable Li-ion batteries: A review. Compos. Sci. Technol. 2012. V. 72. P. 121–144. DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.11.019.
Daraghmeh A., Hussain S., Servera L., Xuriguera E., Cornet A., Cirera A. Impact of binder concentration and pressure on performance of symmetric CNFs based supercapacitors. Electrochim. Acta. 2017. V. 245. P. 531-538. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.05.186.
Zhu Z, Tang S, Yuan J, Qin X., Deng Yu., Qu R., Haarberg G.M. Effects of Various Binders on Supercapacitor Performances. Int. J. Electrochem. Sci. 2016. V. 11. P. 8270-8279. DOI: 10.20964/2016.10.04.
Cho J., Konopka K., Rożniatowski K., García-Lecina E., Shaffer M.S.P., Boccaccini A.R. Characterization of carbon nanotube films deposited by electrophoretic deposition. Carbon. 2009. V. 47. P. 58–67. DOI: 10.1016/j.carbon.2008.08.028.
Qian M, Feng T, Wang K, Ding H., Chen Y., Li Q., Sun Z. Field emission of carbon nanotube films fabricated by vacuum filtration. Physica E: Lowdimens. Syst. Nanostruct. 2010. V. 43. P. 462-465. DOI: 10.1016/j.physe.2010.08.032.
Grace T.S.L., Gibson C.T., Gascooke J.R., Shapter J.G. The Use of Gravity Filtration of Carbon Nanotubes from Suspension to Produce Films with Low Roughness for Carbon Nanotube/Silicon Heterojunction Solar Device Application. Appl. Sci. 2020. V. 10. N 6415. DOI: 10.3390/app10186415.
Du C., Yeh J., Pan N. High power density supercapacitors using locally aligned carbon nanotube electrodes. Nano-technology. 2005. V. 16. P. 350–353 DOI: 10.1088/0957-4484/16/4/003.
Filimonenkov I.S., Urvanov S.A., Kazennov N.V., Tarelkin S.A., Tsirlina G.A., Mordkovich V.Z. Carbon nanotube cloth as a promising electrode material for flexi-ble aqueous supercapacitors. J. Appl. Electrochem. 2022. V. 52. P. 487–498. DOI: 10.1007/s10800-021-01652-z.
Mordkovich V.Z., Kazennov N.V., Ermolaev V.S., Zhu-kova E.A., Karaeva A.R. Scaledup process for producing longer carbon nanotubes and carbon cotton by macro-spools. Diam. Relat. Mater. 2018. V. 83. P. 15–20. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.01.017.
Muzaffar A., Ahamed M. B., Deshmukh K., Thirumalai J. A review on recent advances in hybrid supercapacitors: Design, fabrication and applications. Renew. Sustain. Energy Rev. 2019. V. 101. P. 123–145. DOI: 10.1016/j.rser.2018.10.026.
Liu L., Feng Y., Wu W. Recent progress in printed flexible solid-state supercapacitors for portable and wearable energy storage. J. Power Sources. 2019. V. 410–411. P. 69–77. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.11.012.
Bratkov I.V., Dontsov M.G., Ershova T.V. Investigation of electrochemical exfoliated graphite as electrical conductive additive in electrochemical doublelayer capacitors. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 9. P. 83-88. DOI: 10.6060/ivkkt.20236609.6870.
Krajewski M., Liao P.-Y., Michalska M., Tokarczyk M., Lin J.-Y. Hybrid electrode composed of multiwall carbon nanotubes decorated with magnetite nanoparticles for aqueous supercapacitors. J. Energy Storage. 2019. V. 26. 101020. DOI: 10.1016/j.est.2019.101020.
Bardi N., Giannakopoulou T., Vavouliotis A., Trapalis C. Electrodeposited Films of Graphene, Carbon Nano-tubes, and Their Mixtures for Supercapacitor Applications. ACS Appl. Nano Mater. 2020. V. 3. P. 10003-100013. DOI: 10.1021/acsanm.0c02002.
Zhang L., Zhang X., Wang J., Seveno D., Fransaer J., Locquet J.-P., Seo J.W. Carbon Nanotube Fibers Decorated with MnO2 for Wire-Shaped Supercapacitor. Molecules. 2021. V. 26. N 3479. DOI: 10.3390/molecules26113479.
Liang W., Zhitomirsky I. MXene–carbon nanotube composite electrodes for high active mass asymmetric supercapacitors. J. Mater. Chem. A Mater. 2021. V. 9. P. 10335–10344. DOI: 10.1039/D0TA12485K.
Liang W., Zhitomirsky I. Composite Fe3O4-MXene-Carbon Nanotube Electrodes for Supercapacitors Prepared Using the New Colloidal Method. Materials. 2021. V. 14. 2930. DOI: 10.3390/ma14112930.
Yang L., Zheng W., Zhang P., Chen J., Tian W.B., Zhang Y.M., Sun Z.M. MXene/CNTs films prepared by electrophoretic deposition for supercapacitor electrodes. J. Electroanalyt. Chem. 2018. V. 830–831. P. 1–6. DOI: 10.1016/j.jelechem.2018.10.024.
Filimonenkov I.S., Urvanov S.A., Zhukova E.A., Karaeva A.R., Skryleva E.A., Mordkovich V.Z., Tsirlina G.A. Carbon nanotube cloth for electrochemical charge storage in aqueous media. J. Electroanalyt. Chem. 2018. V. 827. P. 58–63. DOI: 10.1016/j.jelechem.2018.09.004.
Naumova V.A., Mordkovich V.Z., Khaskov M.A., De V.V., Kulnitskiy B.A., Karaeva A.R. The role of water in the process of demetallization of products of the catalytic synthesis of long carbon nanotubes. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 66-74. DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.5y.
Khamidullin T., Galyaltdinov S., Valimukhametova A., Brusko V., Khannanov A., Maat S., Kalinina I., Dimiev A.M. Simple, costefficient and high throughput method for separating single-wall carbon nanotubes with modified cotton. Carbon. 2021. V. 178. P. 157–163. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.03.003.
