В предыдущей новости мы уже писали о последних достижениях в области развития ионисторов. Как упоминалось, в качестве материала электрода чаще всего используются различные модификации углерода. Однако наравне с ними заметное распространение получили электродные материалы на основе оксидов переходных металлов, в частности оксид марганца (IV).

Выбор последнего далеко не случаен: неоспоримыми преимуществами MnO2 является доступность, экологичность и впечатляющие емкостные характеристики, однако недостаточная проводимость нивелирует все преимущества, и делает невозможным использование объемного MnO₂ в качестве материала электрода. Решение этой проблемы лежит в плоскости создания одномерных наноструктур оксида марганца (IV), поэтому к настоящему времени различными научными группами получен широкий спектр 1D наноструктур (нанонити, наностержни и наноленты). В настоящее время ученым удалось получить нанонити MnO₂ толщиной в несколько десятков нанометров. Тем не менее, уменьшение толщины нанонитей до значений меньших 10 нм видится весьма перспективными в плане увеличения емкости электрода. Подобные нанонити удалось получить международному коллективу исследователей, используя довольно простой гидротермальный метод.

В качестве прекурсоров авторы статьи использовали нанонити MnOOH (толщиной около 55 нм), которые будучи диспергированными в растворе щелочи, были помещены в автоклав, который нагревался при температуре 180 0С в течение 60 часов. После охлаждения до комнатной температуры, осадок был отфильтрован, промыт водой и абсолютизированным этанолом и высушен при температуре 60 0С в течение 6 часов. В заключение, продукт реакции был нагрет на воздухе при температуре 300⁰С в течение 2 часов.

Рис. 1. РФА-спектр полученных ультратонких нанонитей.

По результатам рентгенофазового анализа (рис.1) было установлено, что нанонити являются однофазным образцом (β-MnO₂), а их толщина равна 3–7 нм (рис.2). Уменьшая время гидротермального синтеза, авторам статьи удалось получить нанонити большего диаметра (10–30 нм).

Рис. 2. Уменьшенная (а) и увеличенная (b) СЭМ-фотографии, ТЭМ (c и d) и ТЭМ высокого разрешения (e) участка массива ультратонких нанонитей, выделенного синей рамкой. На вставке на фотографии © изображено распределение диаметров нанонитей по размерам.

Для электрохимических исследований ученые собрали ионистор, где в качестве электрода используется электрод на основе полученных нанонитей, и получили циклическую вольтамперограмму, а также кривые зарядки / разрядки (рис.3). Удельная емкость нанонитей оказалась равной 279 Ф/г, что является наивысшим значением, полученным для одномерных структур MnO₂. Кроме того, электрод демонстрирует высокую устойчивость к разряду даже при достаточно высокой удельной силе тока. Немаловажным обстоятельством является достаточная устойчивость электрода (понижение емкости составляет 1.7 % спустя 1000 циклов зарядки/разрядки).

Рис. 3. а) Циклическая вольтамперограмма, снятая при скорости 10 мВ/с, b) кривые зарядки/разрядки при удельной силе тока 1 А/г, с) зависимость удельной емкости от удельной силы тока (черная линия – ультратонкие нанонити, красная линия – толстые нанонити), d) график зависимости удельной емкости от количества циклов зарядки/разрядки, полученный при скорости съемки 50 мВ/с.