Группа ученых из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха), МГУ, МФТИ и Института нанотехнологий и микроэлектроники РАН предложила новый подход для замещения атомов углерода на атомы азота в кристаллической решетке суперконденсаторов.

Исследователи модифицировали решетки углеродных наностенок, используя плазму, что позволило в шесть раз повысить емкость источников энергии. Полученные результаты, опубликованные в Scientific Reports, могут помочь в создании следующего поколения источников энергии для портативной электроники.

Cуперконденсатор – один из электрохимических источников тока, который разряжается и заряжается быстрее, чем обычные батареи, а также обладает большей запасенной энергией на единицу массы или объема. Обычно в качестве материалов для суперконденсаторов используются пористые материалы, такие как углерод, что приводит к значительному увеличению массы источников.

Один из наиболее перспективных путей увеличения емкости таких источников без увеличения их массы – замена атомов в углеродной кристаллической решетке на атомы другого элемента. Один из элементов, которым хотят заменить углерод в кристаллической решетке – азот, участвующий в окислительно-восстановительных реакциях, что приводит к дополнительному увеличению емкости. Несмотря на то, что ученым относительно давно известен данный метод, вопрос о влиянии азота на электрохимические характеристики до сих пор остается открытым.

Предложенный российскими учеными способ увеличения электрохимических характеристик суперконденсаторов позволил понять процессы, происходящие на атомарном уровне во время встраивания азота в углеродные материалы. Для экспериментов были взяли углеродные наностенки – структуры из вертикально ориентированных листов графена. Часть углерода в них заменили на азот с помощью модификации в плазме.

«Полученные структуры тестировались различными методами. Экспериментальные результаты показали увеличение емкости в шесть раз и отличную стабильность в циклах зарядки-разрядки. Также нами проведено DFT-моделирование процесса встраивания азота в углеродные структуры», – цитируются в пресс-релизе Сколтеха, поступившем в редакцию Indicator.Ru, слова старшего научного сотрудника Станислава Евлашина.

Проведенные исследования показали значительный прирост в удельной емкости: если в обработанных плазмой стенках она составила около 600 Ф/г (фарад на грамм — прим. Indicator.Ru), то в немодифированных была на уровне 105 Ф/г.