Фізики зробили водну суспензію з гідрофобного активованого відновленого оксиду графена з добавками для простої і безпечної технології виробництва суперконденсаторів. Для цього вони додали у воду колоїдальний оксид кремнію, оксид графену та вуглецеві нанотрубки. Ємність гнучких конденсаторів, отриманих з водної суспензії, склала 180 фарад на грам. Стаття опублікована в.
Суперконденсатори або іоністори - пристрої для запасання енергії з високою ємністю, в якому класичними обкладками служить подвійний електричний шар між електродом і електролітом. Їх починають застосовувати в багатьох областях техніки, в яких потрібне накопичення і вивільнення великої кількості електроенергії за короткий час, наприклад, у дефібриляторах або спалахах камер.
Графен володіє високою провідністю і високою площею поверхні 2630 квадратних метрів на грам і вважається перспективним матеріалом для використання в суперконденсаторах. Вчені намагаються боротися зі зменшенням площі поверхні під час виробництва суперконденсатора, але нанесення електрода дуже залежить від того, як перезбираються окремі аркуші графена з прекурсора в підсумкову пористу структуру. Використання активованого відновленого оксиду графена, що має жорстку тривимірну структуру, частково вирішує цю проблему. Інженери намагалися поліпшити якість електродів, варіюючи співвідношення вихідних компонентів і розподіл пір за розмірами. Втім, всі ці роботи передбачають складну багатостадійну обробку з використанням токсичних розчинників, що ускладнює масштабування процесів для промислового виробництва.
Василь Скрипничук (Vasyl Skrypnychuk) зі своїми колегами з Університету Умеа знайшов простий спосіб отримання водної суспензії активованого відновленого оксиду графену різної концентрації і виміряв електричні характеристики електродів суперконденсатора з цього матеріалу. Отримана суспензія годиться для більшості промислових методів виготовлення електродів - напилення, нанесення пензликом і лезом. Гнучкі електроди, отримані простим висушуванням суспензії, мають високу площу поверхні (більше 1800 квадратних метрів на грам) і хорошу електропровідність в 800 сіменс на метр.
Для того, щоб суспензувати гідрофобні графенові матеріали, фізики спробували в якості присадок поширені модифікатори в'язкості - колоїдальний оксид кремнію і карбоксиметильовану целюлозу, при додаванні яких виходила гелрідна суспензія з недостатньою адгезією до підкладки. Для більш міцного контакту рідини з поверхнею вони додали вуглецеві нанотрубки через їх високу електропровідність, так як полімери - поширені адгезійні агенти - в більшості своїй є діелектриками і не годяться для застосування в електродах. Щоб підвищити контакт між гідрофобними і гідрофільними фазами суспензії, вчені внесли в неї оксид графену, у якого є ділянки обох типів.
Процес суспензування, запропонований фізиками, включає в себе три стадії: у воду додають вуглецеві нанотрубки і оксид графену при інтенсивному перемішуванні в шаровому млині, в цей суміш вносять колоїдальний оксид кремнію для налаштування в'язкості і стабілізації зважі, а потім до отриманої суспензії додають відновлений оксид графену або подрібнений активований відновлений оксид графену, після чого необхідно інтенсивно перемішати суміш. Найкращі характеристики для отримання електрода суперконденсатора з суспензії вийшли при відношенні активованого відновленого оксиду графена до кожної з присадок десять до одного. Отримані суспензії залишалися стабільними протягом декількох днів - помітного осаду після десяти днів не спостерігалося.
Для демонстрації описаної технології фізики нанесли водну суспензію на гнучкий лист нержавіючої сталі і висушили її під вакуумним насосом. Таким чином вони отримали шар електрода товщиною в 100-500 мікрометрів. На фотографії зі скануючого електронного мікроскопа вчені помітили мікрометрові частинки активованого графена, пов'язані між собою вуглецевими нанотрубками. Зіскобливши шар електрода зі сталевої підкладки, вони виміряли площу поверхні і розподіл пор - за методом БЕТ питома площа електрода склала 1720 квадратних метрів на грам. Примітно, що розподіл розміру пор в електроді і в порошку прекурсора відновленого оксиду графена дуже схожі. Виходячи з цього фізики прийшли до висновку, що в процесі обробки і нанесення активованого відновленого оксиду графена структура не зазнає помітних змін.
Для того, щоб підвищити електропровідність електрода, вчені після нанесення шару відтиснули його при 200 градусах Цельсія і показали, що кількість стадій можна знизити, якщо наносити суспензію відразу на гарячу підкладку. Цей вплив призводить до відновлення оксиду графена, і вкраплення, що з'явилися, збільшують електричний контакт між частинками активованого графена. Вчені оцінили характеристики суперконденсатора в пристрої з двох таких електродів в лужному і органічному - ацетонітрильний розчин тетрафторобората тетреетиленаміну - електролітах. Практично лінійні криві зарядки-розрядки підтверджують, що такі електроди працюють за рахунок подвійного електричного шару. Найкращий зразок суперконденсатора з активованим відновленим оксидом графена показав високу ємність: 180 фарад на грам у лужному електроліті і 140 фарад на грам в органічному. Ці дані добре узгоджуються з даними з попередньої роботи, в якій ємність конденсатора склала 167 фарад на грам в тому ж органічному електроліті.
Зовсім недавно фізики створили гнучкий суперконденсатор на основі вуглецевих нанотрубок, який може розтягуватися у вісім разів без втрати працездатності. А про роботу суперконденсатора докладніше можна прочитати в матеріалі «Легкий старт».