圣大物理学家借助碳纳米管和过渡金属氧化物提高超级电容器的效率

碳纳米管是种具有前景的材料，它是由石墨烯（碳晶格）形成的碳圆柱形结构。纳米管的特点是具有高强度和高密度，而其厚度却小于人的头发。可以说，它们是“未来的材料”，因为当向某种介质中添加少量纳米管（仅占总量的1-3％）时，可以显着改善这种介质的特性。 例如，在道路表面、汽车轮胎，锂离子电池甚至纸张中添加纳米管进行了实验，结果显示这些物质变得更耐久，更高效。

研究成果发表在瑞士科学期刊Applied Sciences上。

纳米管有单层和多层的。单层纳米管具有一维结构，而多层纳米管由几个同心连接的碳纳米管组成。它们可以只有几微米长（相比之下，人类头发的直径约为50微米），直径小于100纳米（眼睛几乎无法察觉的数值，1厘米等于1000万纳米）。多层纳米管可更好地传导电流，并且其表面具有化学惰性，也就是它不产生化学反应。所有这些都表明，多层纳米管是最适用用于生产超级电容器、锂离子电池和其他元件的物质。

该项工作使用了圣大学科学园的基础设施（“表面研究的物理方法”资源中心、“X射线衍射研究方法”资源中心以及“纳米技术”方向跨学科资源中心的设备。

圣大科学家已经开发出使用多层纳米管和过渡金属氧化物的组合来提高超级电容器效率的新方法。一种方法是增加保证电极能量效率的表面积。具有高比表面积的各类型的碳（烟黑、活性炭、炭黑、石墨烯、碳纳米管和其他变体）通常被用于制造工业级超级电容器的电极。

近年来，为了提高超级电容器的能效和稳定性，科学家们一直在开发混合材料，这些材料基于双电层，或者借助钴、钒、钌等过渡金属氧化物在电极表面发生的可逆电化学过程而积累能量。据论文作者之一，圣大研究员彼得·科鲁先科（Петр Корусенко）称，当下最有希望的过渡金属是锰的氧化物，其具有高比容量、低毒性和低生产成本优势。

我们提出一种基于多层碳纳米管和锰的氧化物的复合材料，并添加了重金属铼。获得的复合材料具有高电容量，即单位质量累积电荷，这是此类材料的主要特征之一。

论文作者之一，圣大研究员彼得·科鲁先科

“复合材料在短时间内积累并释放的电荷越多，其效率就越高，”圣大固态电子教研室研究员彼得·科鲁先科说道。

在实验过程中，科学家们将锰的氧化物喷涂于纳米管表面，然后进行高温处理使其结晶并形成纳米颗粒。这可使其电容比增加一倍以上，但这一指标会迅速下降。科学家们试出复合材料的最佳加工温度，并在随后添加重金属铼的多种氧化物以及锰，成功提升了其电化学性能。实验表明，铼的氧化物主要附着在锰纳米颗粒附近，并通对锰的氧化物（MnO_х ）进行充分氧化来增加二氧化锰（MnO₂）的电化学活性比。

得益于此，科学家们成功在循环充放电测试中提升了材料稳定性。如此成功的结果是将锰氧化物、铼氧化物以及碳纳米管的特性相结合而实现的协同效应。一方面，这增加了可逆电化学过程对电容比的贡献；另一方面，它可以显着增加双电层在电荷积累时的贡献。

圣大科学家们获得的成果将显着提高在短时间内产生大量能量的脉冲电源的效率。今天，超级电容器被用于替代能源、运输系统、家庭储能和其他科学技术领域。提高其能效对诸多领域都具有重要意义，因为产生强大的能量脉冲是超级电容器的主要任务。