Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора
Физики сделали водную суспензию из гидрофобного активированного восстановленного оксида графена с добавками для простой и безопасной технологии производства суперконденсаторов. Для этого они добавили в воду коллоидальный оксид кремния, оксид графена и углеродные нанотрубки. Емкость гибких конденсаторов, полученных из водной суспензии, составила 180 фарад на грамм. Статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.
Суперконденсаторы или ионисторы — устройства для запасания энергии с высокой емкостью, в котором классическими обкладками служит двойной электрический слой между электродом и электролитом. Их начинают применять во многих областях техники, в которых требуется накопление и высвобождение большого количества электроэнергии за короткое время, например, в дефибрилляторах или вспышках камер.
Графен обладает высокой проводимостью и высокой площадью поверхности 2630 квадратных метров на грамм и считается перспективным материалом для использования в суперконденсаторах. Ученые пытаются бороться с уменьшением площади поверхности во время производства суперконденсатора, но нанесение электрода очень зависит от того, как пересобираются отдельные листы графена из прекурсора в итоговую пористую структуру. Использование активированного восстановленного оксида графена, имеющего жесткую трехмерную структуру, отчасти решает эту проблему. Инженеры пытались улучшить качество электродов, варьируя соотношение исходных компонентов и распределение пор по размерам. Впрочем, все эти работы предполагают сложную многостадийную обработку с использованием токсичных растворителей, что затрудняет масштабирование процессов для промышленного производства.
Василий Скрипничук (Vasyl Skrypnychuk) со своими коллегами из Университета Умеа нашел простой способ получения водной суспензии активированного восстановленного оксида графена разной концентрации и измерил электрические характеристики электродов суперконденсатора из этого материала. Полученная суспензия годится для большинства промышленных методов изготовления электродов — напыление, нанесение кисточкой и лезвием. Гибкие электроды, полученные простым высушиванием суспензии, имеют высокую площадь поверхности (больше 1800 квадратных метров на грамм) и хорошую электропроводность в 800 сименс на метр.
Для того, чтобы суспензировать гидрофобные графеновые материалы, физики попробовали в качестве присадок распространенные модификаторы вязкости — коллоидальный оксид кремния и карбоксиметилированную целлюлозу, при добавлении которых получалась гелеобразная суспензия с недостаточной адгезией к подложке. Для более прочного контакта жидкости с поверхностью они добавили углеродные нанотрубки из-за их высокой электропроводности, так как полимеры — распространенные адгезионные агенты — в большинстве своем являются диэлектриками и не годятся для применения в электродах. Чтобы повысить контакт между гидрофобными и гидрофильными фазами суспензии, ученые внесли в нее оксид графена, у которого есть участки обоих типов.
Процесс суспензирования, предложенный физиками, включает в себя три стадии: в воду добавляют углеродные нанотрубки и оксид графена при интенсивном перемешивании в шаровой мельнице, в эту смесь вносят коллоидальный оксид кремния для настройки вязкости и стабилизации взвеси, а затем к полученной суспензии добавляют восстановленный оксид графена или измельченный активированный восстановленный оксид графена, после чего необходимо интенсивно перемешать смесь. Наилучшие характеристики для получения электрода суперконденсатора из суспензии получились при отношении активированного восстановленного оксида графена к каждой из присадок десять к одному. Полученные суспензии оставались стабильными в течение нескольких дней — заметного осадка после десяти дней не наблюдалось.
Для демонстрации описанной технологии физики нанесли водную суспензию на гибкий лист нержавеющей стали и высушили ее под вакуумным насосом. Таким образом они получили слой электрода толщиной в 100-500 микрометров. На фотографии со сканирующего электронного микроскопа ученые заметили микрометровые частицы активированного графена, связанные между собой углеродными нанотрубками. Соскоблив слой электрода со стальной подложки, они измерили площадь поверхности и распределение пор — по методу БЭТ удельная площадь электрода составила 1720 квадратных метров на грамм. Примечательно, что распределение размера пор в электроде и в порошке прекурсора восстановленного оксида графена очень похожи. Исходя из этого физики пришли к выводу, что в процессе обработки и нанесения активированного восстановленного оксида графена структура не претерпевает заметных изменений.
Для того, чтобы повысить электропроводность электрода, ученые после нанесения слоя отожгли его при 200 градусах Цельсия и показали, что количество стадий можно снизить, если наносить суспензию сразу на горячую подложку. Это воздействие приводит к восстановлению оксида графена, и появившиеся его вкрапления увеличивают электрический контакт между частицами активированного графена. Ученые оценили характеристики суперконденсатора в устройстве из двух таких электродов в щелочном и органическом — ацетонитрильный раствор тетрафторобората тетреэтиленамина — электролитах. Практически линейные кривые зарядки-разрядки подтверждают, что такие электроды работают за счет двойного электрического слоя. Наилучший образец суперконденсатора с активированным восстановленным оксидом графена показал высокую емкость: 180 фарад на грамм в щелочном электролите и 140 фарад на грамм в органическом. Эти данные хорошо согласуются с данными из предыдущей работы, в которой емкость конденсатора составила 167 фарад на грамм в том же органическом электролите.
Совсем недавно физики создали гибкий суперконденсатор на основе углеродных нанотрубок, который может растягиваться в восемь раз без потери работоспособности. А про работу суперконденсатора подробнее можно прочитать в материале «Легкий старт».
Артем Моськин
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.