Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Университета Лилля (Франция) синтезировали новый материал на основе восстановленного оксида графена для суперконденсаторов — устройств для накопления энергии. Метод модификации восстановленного оксида графена с использованием органических молекул — производных гипервалентного йода — позволил получить материал, который накапливает в 1,7 раза больше электрической энергии. Результаты исследований опубликованы в журнале Electrochimica Acta (IF: 6,215; Q1).
Суперконденсатор — это электрохимическое устройство для накопления и отдачи электрического заряда. В отличие от аккумуляторов они в разы быстрее накапливают и отдают энергию, а также не содержат литий.
Суперконденсатор представляет собой элемент с двумя электродами, между которыми находится органический или неорганический электролит. На электроды наносится материал, накапливающий заряд. Современным трендом в науке является использование различных материалов на основе графена — одного из самых тонких и прочных материалов, известных человеку. Исследователи Томского политеха и Университета Лилля работали с дешевым и доступным материалом — восстановленным оксидом графена (rGO).
«Несмотря на перспективность, суперконденсаторы еще не так широко распространены. Для дальнейшего развития технологии необходимо повысить эффективность суперконденсаторов. Один из ключевых вызовов здесь — повышение энергоемкости. Сделать это можно, увеличив площадь поверхность материала-накопителя, в данном случае rGO. Мы нашли простой и достаточно быстрый способ. Работали исключительно с органическими молекулами в мягких условиях, не использовали дорогие или токсичные металлы», — говорит научный руководитель работы, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.
Восстановленный оксид графена наносится на электроды в виде порошка, в результате на электроде оказываются сотни наноразмерных слоев этого вещества. Слои стремятся агломерироваться, то есть соединиться. Чтобы увеличить площадь поверхности материала, нужно увеличить расстояние между слоями.
«Для этого мы модифицировали rGO органическими молекулами, что привело к увеличению расстояния. Незначительные различия в расстоянии между слоями позволили увеличить энергоемкость материала в 1,7 раза. То есть 1 грамм нового материала может накапливать энергию больше в 1,7 раза по сравнению с обычным rGO», — поясняет один из авторов статьи, младший научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Елизавета Свиридова.
Реакция протекала через образование активных аринов из иодониевых солей. Они вызывают интерес у ученых благодаря своей особенности создавать лишь один слой новых органических групп на поверхности материалов. Исследователи Томского политеха много лет развивают направление химии иодониевых солей.
«Реакция модификации протекает в мягких условиях при простом смешивании раствора иодониевой соли с rGO. Если сравнивать с другими методами функционализации оксида графена, то мы добились одних из самых высоких показателей по повышению энергоемкости материала», — говорит Елизавета Свиридова.
Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда.