Композиты, содержащие смолы и углеродные нано

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 6606 (2023) Цитировать эту статью

494 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В настоящей работе сообщается о функционализации углеродных нанолуков (CNO) гидроксиарильной группой и последующих модификациях смолами: резорцин-формальдегидной с использованием порогенного плюроника F-127, резорцин-формальдегид-меламиновой, бензоксазиновой на основе бисфенола А и триэтилентетрамина, а также каликса. [4]резорцинарен, полученный с использованием F-127. После прямой карбонизации был проведен обширный физико-химический анализ, включая инфракрасную Фурье-преобразование, рамановскую и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, а также адсорбцию-десорбцию N2. Добавление CNO в материалы существенно увеличивает общий объем пор (до 0,932 см3 г-1 для карбонизированной резорцин-формальдегидной смолы и CNO (RF-CNO-C) и 1,242 см3 г-1 для карбонизированной резорцин-формальдегид-меламиновой смолы). и CNO (RFM-CNO-C)), с преобладанием мезопор. Однако синтезированные материалы имеют плохо упорядоченные домены с некоторыми структурными нарушениями; композит RFM-CNO-C демонстрирует более упорядоченную структуру с аморфными и полукристаллическими областями. В дальнейшем методами циклической вольтамперометрии и гальваностатического зарядно-разрядного метода были изучены электрохимические свойства всех материалов. Изучено влияние состава смол, содержания CNO и количества атомов N в углеродистом скелете на электрохимические характеристики. Во всех случаях добавление CNO в материал улучшает его электрохимические свойства. Углеродный материал, полученный из CNO, резорцина и меламина (RFM-CNO-C), показал самую высокую удельную емкость 160 Ф г-1 при плотности тока 2 А г-1, которая стабильна после 3000 циклов. Электрод RFM-CNO-C сохраняет примерно 97% своей первоначальной емкостной эффективности. Электрохимические характеристики электрода RFM-CNO-C обусловлены стабильностью иерархической пористости и наличием атомов азота в скелете. Этот материал является оптимальным решением для суперконденсаторных устройств.

Современные общества зависят от ископаемого топлива и страдают от всех проблем, связанных с загрязнением окружающей среды, глобальным потеплением, ростом цен на топливо и геополитическими проблемами. В связи с растущим спросом на высокоэффективные накопители энергии разработка электрохимических суперконденсаторов (СК) в последние годы привлекла большое внимание. Основная причина заключается в том, что СЭ находят множество применений в промышленных областях, в основном в автомобильной промышленности (т.е. в электромобилях) и в военных целях1,2,3. Устройства SC могут работать с большей мощностью по сравнению с батареями4,5,6,7. Однако заряд, который они могут хранить, в 3–30 раз ниже5,7,8. СЭ привлекательны тем, что предлагают уникальные решения, превосходящие электролитические конденсаторы и батареи, характеризующиеся разными механизмами хранения. Техническими недостатками обычных запоминающих устройств являются ограниченная емкость и срок хранения. Поэтому было приложено много усилий для создания СЭ с высокой удельной мощностью, низким входным сопротивлением, увеличенным сроком службы, быстрой зарядкой-разрядкой и экологичностью8,9,10,11,12. Наиболее многообещающими материалами кажутся углеродные наноматериалы9,13, проводящие полимеры14,15, оксиды металлов16,17 и их композиты18, а также некоторые менее изученные материалы, такие как ковалентные органические каркасы или металлорганические каркасы19,20, черный фосфор или нитриды металлов21. 22.

Углеродные материалы широко используются в конденсаторах из-за их морфологической универсальности и низкой стоимости8,9,23. В этой группе углеродные наноструктуры (CN) обладают многими особенностями, такими как различные формы, размеры, состояния гибридизации, содержание гетероатомов и микротекстура, которые играют решающую роль в свойствах и конкретных приложениях24,25. Большая площадь поверхности, поры размеров, подходящих для хранения различных ионов, а также поляризуемость и электропроводность электродов имеют решающее значение для эффективной зарядки двойных электрических слоев (EDS)4. Наиболее изученными формами наноуглерода, близкими к практическому применению в электрических конденсаторных устройствах, являются графен26,27, углеродные нанотрубки (УНТ)28,29,30 и углеродные нанолуковицы (CNO)31,32,33.