1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 9, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 9, стр. 517-529

Углеродная нанобумага из нанокомпозита углеродные нанотрубки/резорцин-формальдегидный ксерогель для электрохимических суперконденсаторов

А. В. Крестинин a, *, Е. И. Кнерельман a, Н. Н. Дремова a, О. Н. Голодков a

a Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН
Черноголовка, Россия

* E-mail: kresti@icp.ac.ru

Поступила в редакцию 13.10.2022
После доработки 02.02.2023
Принята к публикации 03.02.2023

Аннотация

Нанокомпозит резорцин-формальдегидного ксерогеля (RF-ксерогель) и углеродных нанотрубок после карбонизации при 800°C получен в виде композитной углеродной нанобумаги (КУНБ) толщиной 100–300 мкм, плотностью от 0.1 до 0.5 г/см2 и электронной проводимостью более 10 См/см. По измерениям методом низкотемпературной адсорбции азота микропористую структуру нанобумаги формирует карбонизованнный RF-ксерогель, а мезопористая структура образуется каркасом нанотрубок. Удельная поверхность нанобумаги, рассчитанная методом нелокальной теории функционала плотности (NLDFT), превышает 600 м2/г. Основной вклад в удельную поверхность КУНБ дают поры шириной ~0.7 нм, поэтому электроды для суперконденсатора из такой бумаги эффективны только в водных растворах H2SO4 и KOH с малыми размерами сольватированных ионов. Для применения КУНБ с органическими электролитами разработана методика активирования нанобумаги гидроокисью калия. Максимум удельной поверхности (метод NLDFT) активированной КУНБ достигает 1182 м2/г с при потере массы углеродного ксерогеля ~25%. При этом площадь поверхности пор шириной более 1 нм увеличивается от 350 м2/г в КУНБ до 685 м2/г в активированной КУНБ. Нанобумага механически прочная, довольно дешевая и удобна для использования в суперконденсаторах.

Ключевые слова: углеродные нанотрубки, углеродный ксерогель, нанокомпозит, активация углерода щелочью, адсорбция азота, электрохимический конденсатор, двойной электрический слой

Список литературы

  1. Pandolfo, A.G. and Hollencamp, A.F., Carbon properties and their role in supercapacitors, J. Power Sources, 2006, vol. 157, p. 11.

  2. Burke, A., Ultracapacitors: why, how, and where is the technology, J. Power Sources, 2000, vol. 91, p. 37.

  3. Burke, A. and Miller, M., The power capability of ultracapacitors and lithium batteries for electric and hybrid vehicle applications, J. Power Sources, 2011, vol. 196, p. 514.

  4. Gogotsy, Y. and Simon, P., True performace metrics in electrical energy storage, Science, 2011, vol. 334, p. 917.

  5. Yang, X., Cheng, Ch., Wang, Y., Qiu, L., and Li, D., Liquid-Mediated Dense Integration of Graphene Materials for Compact Capacitive Energy Storage, Science, 2013, vol. 341, p. 534.

  6. Xu, Y., Lin, Z., Zhong, X., Huang, X., Weiss, N. O., Huang, Y., and Duan, X., Holey graphene frameworks for highly efficient capacitive energy storage, Nature Commun., 2014, vol. 5, p. 4554.

  7. Zhu, Y., Murali, Sh., Stoller, M.D., Ganesh, K.J., Cai, W., Ferreira, P.J., Pirkle, A., Wallace, R.M., Cychosz, K.A., Thommes, M., Su, D., Stach, E.A., and Ruoff, R.S., Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene, Science, 2011, vol. 332(6037), p. 1537.

  8. Mayer, S.T., Pekala, R.W., and Kaschmitter, J.L., The Aerocapacitor: An Electrochemical Double-Layer Energy-Storage Device, J. Electrochem. Soc., 1993, vol. 42, no. 2, p. 446.

  9. Probstle, H., Schmitt, C., and Fricke, J., Button cell supercapacitors with monolithic carbon aerogels, J. Power Sources, 2000, vol. 105, p.189.

  10. Futaba, D.N., Hata, K., Yamada, T., Hiraoka, T., Hayamizu, Y., Kakudate, Y., Tanaike, O., Hatori, H., Yumura, M., and Iijima, S., Shape-engineerable and highly densely packed single-walled carbon nanotubes and their application as super-capacitor electrodes, Nature Mater., 2006, vol. 51, p. 987.

  11. Yoon, Y., Lee, K., Kwon, S., Seo, S., Yoo, H., Kim, S., Shin, Y., Park, Y., Kim, D., Choi, J.-Y., and Lee, H., Sheets Spatially and Densely Piled for Fast Ion Diffusion in Compact Supercapacitors, ACS Nano, 2014, vol. 8, p. 436.

  12. Shi, H., Activated carbons and double layer capacitance, Electrochim. Acta, 1996, vol. 41, no. 10, p. 1633.

  13. Stoller, M.D. and Ruoff, R.S., Best practice methods for determining an electrode materials performance for ultracapacitors, Energy Environ. Sci., 2010, vol. 3, p. 1294.

  14. Bordjiba, M., Mohamedi, L., and Dao, H., Synthesis and electrochemical capacitance of binderless nanocomposite electrodes formed by dispersion of carbon nanotubes and carbon aerogels, J. Power Sourses, 2007, vol. 172, p. 991.

  15. An, K.H., Kim, W.S., Park, Y.S., Moon, J.-M., Bae. D.J., Lim, S.Ch., Lee, Y.S., and Lee, Y.H., Electrochemical Properties of High-Power Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes, Adv. Funct. Mater., 2001, vol. 11, no. 5, p. 387.

  16. Izadi-Najafabadi, A., Yasuda, S., Kobashi, K., Yamada, T., Futaba, D.N., Hatori, H., Yumura, M., Iijima, S., and Hata, K., Extracting the Full Potential of Single-Walled Carbon Nanotubes as Durable Supercapacitor Electrodes Operable at 4 V with High Power and Energy Density, Adv. Mater., 2010, vol. 22, p. 235.

  17. Burke, A. and Miller, M., Testing of electrochemical capacitors: capacitance, resistance, energy density, and power capability, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, p. 7538.

  18. Pekala, R.W., Organic aerogels from the polycondensation of resorcinol with formaldehyde, J. Mater. Sci., 1989, vol. 24, p. 3221.

  19. Saliger, R., Reichenauer, G., and Fricke, J., Evolution of microporosity upon CO2-activation of carbon aerogels, In: Studies in Surface Science and Catalysis 128. K.K.Unger (Ed.). Elsevier Science B.V. 2000.

  20. Job, N., Pirard, R., Marien, J., and Pirard, J.-P., Porous carbon xerogels with texture tailored by pH control during sol–gel process, Carbon, 2004, vol. 42, p. 619.

  21. Calvo, E.G., Ania, C.O., Zubizarreta, L., Menendez, J.A., and Arenillas, A., Exploring New Routes in the Synthesis of Carbon Xerogels for Their Application in Electric Double-Layer Capacitors, Energy fuels, 2010, vol. 24, p. 3334.

  22. Fang, B. and Binder, L., A modified activated carbon aerogel for high-energy storage in electric double layer capacitors, J. Power Sources, 2006, vol.163, p. 616.

  23. Schmitt, C., Probstle, H., and Fricke, J., Carbon cloth-reinforced and activated aerogel films for supercapacitors, J. Non-Crystal. Solids, 2001, vol. 285, p. 277.

  24. https://ocsial.com.

  25. Крестинин, А.В., Дремова, Н.Н., Кнерельман, Е.И., Блинова, Л.Н., Жигалина, В.Г., Киселев Н.А. Характеризация ОСУНТ-продуктов Российского производства и перспективы их промышленного применения. Рос. нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 7–8. С. 30. [Krestinin, A.V., Dremova, N.N., Knerel’man, E.I., Blinova, L.N., Zhigalina V.G., and Kiselev N.A., Characterization of SWCNT Products Manufactured in Russia and the Prospects for Their Industrial Application, Nanotechnologies in Russia, 2015, vol. 10, no. 7–8, p. 537.]

  26. Вольфкович, Ю.М., Рычагов, А.Ю., Сосенкин, В.Е. Влияние пористой структуры на электрохимические характеристики суперконденсатора с нанокомпозитными электродами на основе углеродных нанотрубок и резорцин-формальдегидного ксерогеля. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 496. [Vol’fkovich, Yu.M., Rychagov, A.Yu., and Sosenkin, V.E., Effect of the Porous Structure on the Electrochemical Characteristics of Supercapacitor with Nanocomposite Electrodes Based on Carbon Nanotubes and Resorcinol–Formaldehyde Xerogel, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 730. https://doi.org/10.1134/S1023193522090142

  27. Lin, Ch., Ritter, J.A., and Popov, B.N., Correlation of Double-Layer Capacitance with the Pore Structure of Sol-Gel Derived Carbon Xerogels, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, no. 10, p. 3639.

  28. Barranco, V., Lillo-Rodenas, M.A., Linares-Solano, A., Oya, A., Pico, F., Ibanez, J., Agullo-Rueda, F., Amarilla, J.M., and Rojo, J.M., Amorphous Carbon Nanofibers and Their Activated Carbon Nanofibers as Supercapacitor, J. Phys. Chem. C, 2010, vol. 114, p. 10302.

  29. Raymundo-Pinero, E., Azaıs, P., Cacciaguerra, T., Cazorla-Amoros, D., Linares-Solano, A., and Beguin F., KOH and NaOH activation mechanisms of multiwalled carbon nanotubes with different structural organization, Carbon, 2005, vol. 43, p. 786.

  30. McKee, D.W., Gasification of graphite in carbon dioxide and water vapor-the catalytic effects of alkali metal salts, Carbon, 1982, vol. 20, p. 59.

  31. Lillo-Rodenas, M.A., Cazorla-Amoros, D., and Linares-Solano, A., Understanding chemical reactions between carbons and NaOH and KOH: an insight into the chemical activation mechanism, Carbon, 2003, vol. 41, p. 267.

  32. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочник. (под ред. Глушко В.П.) М.: Наука, 1979. Т. 2. Кн. 2. [Thermodynamic properties of individual substances. Handbook edition. (Glushko,V.P, Ed. In Russian). Moscow: Nauka, 1979, vol. 2, Book 2.]

  33. Barrett, E.P., Joyner, L.G., and Halenda, P.P., The Determination of Pore Volume and Area Distributions in Porous Substances. I. Computations from Nitrogen Isotherms, J. Amer. Chem. Soc., 1951, vol. 73, p. 373. https://doi.org/10.1021/ja01145a126

  34. Brunauer, S., Emmett, P.H., and Teller, E., Adsorption of gases in multimolecular layers, J. Amer. Chem. Soc., 1938, vol. 60, p. 309. https://doi.org/10.1021/ja01269a023

  35. Lippens, B.C. and de Boer, J.H., Studies on pore systems in catalysts: V. The t-method, J. Catal., 1965, vol. 4, no. 3, p. 319. https://doi.org/10.1016/0021-9517(65)90307-6

  36. Lufrano, F., Staiti, P., Calvo, E.G., Juarez-Perez, E.J., Menendez, J.A., and Arenillas, A., Carbon xerogels and manganese oxide capacitive materials for advance supercapacitors, J. Electrochem. Sci., 2011, vol. 6, p. 596.

  37. Zubizarreta, L., Arenillas, A., Pirard, J.P., Pis, J.J., and Job, N., Tailoring the textural properties of activated carbon xerogels by chemical activation with KOH, Micropor. Mesopor. Mater., 2008, vol. 115, p. 480.

  38. Everett, D.H. and Powl, J.C., Adsorption in slit-like and cylindrical micropores in the Henry’s law region, J. Chem. Soc., Faraday Trans. I, 1976, vol. 72, p. 619.

  39. Lastoskie, Ch., Gubbins, K.E., and Quirkef, N., Pore Size Distribution Analysis of Microporous Carbons: A Density Functional Theory Approach, J. Phys. Chem., 1993, vol. 97, p. 4786.

  40. Autosorb-1 Operating Manual Ver. 1.53.

  41. Lowell, S., Shields, J.E., Thomas, M.A., and Thommes, M., Characterization of porous solids and powders: surface area, pore size, and density. Dordrecht, Netherlands: Springer, 2006. 348 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал