Синтез био-нано-композитов для медицины и энергетики

Суперконденсаторы являются промежуточным устройством хранения энергии между батареями и конденсаторами, обладающим высокой мощностью тока, длительным жизненным циклом и способностью быстрой перезарядки. Производительность суперконденсатора определяется в первую очередь материалом из которого изготавливаются электроды. Электродам на основе углерода, имеющего высокую электронную проводимость, в сочетании с оксидами металлов (MnO2, RuO2, NiO, etc.) свойственна так называемая «псевдоёмкость». Такие материалы позволяют объединить преимущества аккумуляторных батарей и конденсаторов с двойным электрическим слоем, что делает их более востребованными. Таким образом, синтез композитов с углеродом эффективный способ улучшить электрохимические характеристики электродов. В последние годы активно исследуются различные сульфиды металлов в качестве электродных материалов благодаря их преимуществу перед оксидами в большей проводимости и механической стабильности.

Углеродные наноструктуры с решёткой инвертированного опала получали методом темплатов, обладающего наибольшими возможностями по контролю и управлению пористой структурой материала. В качестве шаблона использовали опаловые матрицы, сложенные из сферических частиц аморфного диоксида кремния диаметром 260 нм и 25 нм. Для введения углерода в матрицу SiO2 использовали водный раствор сахарозы С12Н22О11 с добавлением серной кислоты, которым пропитывали образец. Образцы карбонизировались путём отжига 900 °C в потоке аргона, затем обрабатывались HF для удаления диоксида кремния. Углеродный материал промывался водой и сушился при 100 °C. Полученные структуры с решёткой инвертированного опала, имеющие систему взаимосвязанных микро-, мезои макропор, обладают высокой удельной поверхностью, что позволяет увеличить сорбционные, каталитические и электрохимические свойства материала [1, 2]. электрохимический решетка композит углеродный Для модифицирования поверхности углеродного материала оксидом и сульфидом никеля образцы помещали в водный раствор сульфата никеля NiSO4Ч6H2O с добавлением мочевины СO (NH2)2, перемешивали и выдерживали при 100 °C 5 часов. Затем осаждённый материал промывали в деионизованной воде и этаноле, сушили при 80 °C на воздухе ночь, отжигали в потоке аргона при 350−500 °С 2 часа.

Синтезированные образцы характеризовались с помощью рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, методом сорбции азота (теория БЭТ), проведением электрохимических измерений.

Полученный материал представляет собой углеродную упорядоченную структуру образованных после травления глобул SiO2 сферических пустот, поверхность которой покрыта соединениями никеля размером 10−35 нм. По фазовому составу образцы помимо аморфного углерода содержат фазы оксида и сульфидов никеля. При модификации углеродной матрицы соединениями никеля площадь удельной поверхности пор уменьшилась более чем в 2−3 раза и составила 494−250 м2/г. Удельная ёмкость конденсатора с композитом достигала 600 Ф/г. Из данных электрохимических измерений можно сделать вывод, что существенный вклад в удельную ёмкость конденсатора с электродами из композитов вносят фарадеевские реакции.