MWCNT/水酸化ルテニウムエアロゲルスーパーキャパシタの製造と電気化学的性能の調査

Sep 01, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12862 (2022) この記事を引用

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この研究では、二層カーボンナノチューブと塩化ルテニウムを超音波処理して得られた材料をエアロゲルとして生成しました。 次に、それらを使用して対称スーパーキャパシタ デバイスを作成し、その電気化学的特性を調査しました。 エアロゲルの構造解析には XRD と FTIR、表面画像には STEM、EDX には元素分析が使用されました。 電気化学分析はガルバノスタット/ポテンシオスタットによって実行されました。 サイクリックボルタンメトリー分析から、MWCNT/水酸化ルテニウムエアロゲルの最も高い比静電容量は、5 mV/s で 423 F/g に達しました。 一方、充放電曲線から計算された対応する値は、電流密度 0.5 A/g および 10.0 A/g でそれぞれ 420.3 F/g および 319.9 F/g であることがわかりました。 合成されたままのエアロゲルの静電容量保持率は、5000 回の連続サイクリック ボルタンメトリー サイクルの終了時点で 96.38% でした。

今日、人口増加と工業化に伴うエネルギー需要は、資源が限られているため満たすことができません。 その結果、エネルギーの生産と消費の間のギャップが急速に拡大しています。 この場合、利用可能なエネルギー資源をより効果的に使用することがますます重要になります。 再生可能エネルギー源から得られるエネルギーを効率的に貯蔵し、最も適切な変換を開発することは、エネルギー需要の急速な増加に対応するのに役立ちます。 これに関連して、スーパーキャパシタ (SC) は、高電力密度、高速充放電能力、長いサイクル寿命などのさまざまな利点を提供します。 したがって、それらは幅広い応用分野で最高のエネルギー貯蔵システムとして使用されるとして大きな注目を集めています1、2、3、4、5。 ただし、スーパーキャパシタのエネルギー密度が低いため、将来の用途が制限されるため、高性能 SC のエンジニアリングは科学的および産業的に重要です6。 最近の研究では、研究者らは、SC に使用される、非常に優れた電気化学的性能と環境に優しい特性を備えたさまざまな遷移金属酸化物 (TMO) に焦点を当てています。 一般に、金属酸化物は、典型的な炭素質構造よりも大幅に高いエネルギー密度を持ち、ポリマー材料よりも電気化学的に安定しています7。 RuO2 は、SC について報告された最初の遷移金属酸化物です。 高い比容量 (最大 1580 F/g)、安定性、大きなファラデー活性、イオン吸着、良好な電気伝導率などのユニークな特性により、SC8、9、10 で使用される最も注目すべき候補の 1 つとなりました。

一方、CNT は優れた導電性を備えており、炭素原子間の共有結合 sp2 結合という独特の物理的構造により、システムの抵抗率を効果的に低下させます。 これらは、その優れた機械的特性により、導電ネットワークを発達させて高性能の電極を得る薬剤として機能します。 CNT は、化学的安定性に加えて、高い比表面積 (1300 m2g-1) のおかげで大きな電解質 - 電極界面の確立を助け、エネルギー貯蔵に成功します 11,12,13,14,15,16,17,18、 19、20。 ただし、CNT を活物質として直接使用することはできません。 したがって、より高いエネルギー密度を達成するには、金属酸化物 (RuO2、MoO2 など) または導電性ポリマーと組み合わせる必要があります。 一方、密度が低く (0.003 ～ 0.15 kg/m3)、多孔度が高く、表面積が大きい (500 ～ 1000 m2/g) エアロゲルは、最も軽い固体材料として知られています。 エアロゲルには、その機械的強度と独特の物理化学的特性だけでなく、細孔サイズと表面積が調整可能であるため、スーパーキャパシタ用途として明るい未来があります。 カーボンエアロゲルは、その三次元網目構造に加えて、優れた導電性を備えています。CNT エアロゲルは、大きな比表面積、導電性、軽量性、および高い機械的強度を備えているため、スーパーキャパシタの電極材料として優れた代替品となります 21。 ナノ複合材料の電気化学的性能は、最近、さまざまな種類の電解質の下でテストされています。