Физики разработали новый способ соединения углеродных нанотрубок с подложкой для суперконденсаторов

Ученые Санкт-Петербургского государственного университета, Омского государственного технического университета, Омского научного центра СО РАН и Коми научного центра УрО РАН разработали метод соединения многостенных углеродных нанотрубок с титановой подложкой. Такой подход позволяет обойтись без полимерных связующих и может быть использован для разработки новых композитных электродных материалов суперконденсаторов с улучшенными характеристиками. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в научном журнале Nanomaterials.

Одностенные углеродные нанотрубки — это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров, образованные одним слоем атомов углерода. Они обладают высокой электропроводностью, механической прочностью и химической стабильностью.

Многостенные нанотрубки чаще всего состоят из множества вложенных друг в друга одностенных нанотрубок, которые применяются в разных областях. Например, в машиностроении для увеличения прочности и износостойкости кузовных элементов и шин, а в микроэлектронике — для создания сверхэффективных устройств нового поколения.

Ученые Санкт-Петербургского университета давно изучают применение нанотрубок в качестве основы при разработке новых электродных материалов для суперкондесаторов. Так, эксперты Университета считают использование многостенных нанотрубок более перспективным вариантом за счет разнообразия их форм и конфигураций по сравнению с одностенными. Кроме этого, разделение многостенных нанотрубок из пучков и их последующее диспергирование достаточно хорошо изучено.

В настоящее время особое внимание уделяется разработке высокоэффективных, то есть обладающих повышенной мощностью, длительным сроком службы и высокой скоростью заряда-разряда, суперконденсаторов на основе новых композитных электродных материалов.

Использование суперконденсаторов нанокомпозитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и электропроводящих полимеров в качестве материала для таких электродов, позволяет повысить емкостные характеристики суперконденсатора. Это становится возможным за счет большой поверхностной площади, увеличивающей емкость двойного электрического слоя, и дополнительного вклада псевдоемкости от полимера.

Одной из проблем при практическом применении таких материалов является слабая адгезия, то есть сцепление нанотрубок с токосъемной подложкой. На данный момент это решают путем добавления полимерных связующих (биндеров) во время приготовления самого электрода. В качестве таких биндеров могут выступать поливинилиденфторид, карбоксиметилцеллюлоза, бутадиен-стирольный латекс и другие материалы. Однако, как отмечают ученые СПбГУ, биндеры снижают электропроводимость, а также влияют на пористую структуру получаемого материала.

«Мы с коллегами предложили новый подход, который позволяет повысить адгезию — сцепление — многостенных нанотрубок к поверхности металлической (титановой) подложки. Разработанный нами способ предполагает изменение интерфейса на границе "слой нанотрубок — подложка" за счет использования непрерывного пучка ионов гелия», — объяснил один из авторов работы, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра электроники твердого тела) Петр Корусенко.

Чтобы определить эффективность предложенного метода, физики Санкт-Петербургского университета провели ряд исследований для выявления оптимального времени облучения нанотрубок. Оказалось, что наилучший результат достигается после 20 минут облучения: в этом случае адгезия улучшается на 57% по сравнению с исходной системой. Как объясняют ученые Университета, такой результат связан с образованием C-O-Ti-связей с участием титана и функциональных кислородсодержащих групп на поверхности нанотрубок.

Предложенный исследователями подход позволяет обойтись без полимерных связующих (биндеров) с сохранением развитой поверхности исходного материала на поверхности титановой подложки, причем эта технология может быть применима не только при создании суперкондернсаторов, но и для литий-ионных аккумуляторов.

Для информации Работа выполнена в рамках проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда, «Новые нанокомпозиты на основе электропроводящих полимеров poly-[M (Salen)](https://M=Co, Ni, Cu) и углеродных наноструктур для супер-конденсаторов: атомно-электронное строение и электрохимические свойства по данным XPS, NEXAFS, EXAFS спектров и электрохимических измерений».