Produzione di supercondensatori aerogel MWCNT/idrossido di rutenio e studio delle prestazioni elettrochimiche

Sep 01, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12862 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, il materiale ottenuto dalla sonicazione del nanotubo di carbonio a doppia parete e del cloruro di rutenio è stato prodotto come aerogel. Quindi, utilizzandoli sono stati realizzati dispositivi supercondensatori simmetrici e sono state studiate le loro proprietà elettrochimiche. XRD e FTIR sono stati utilizzati nell'analisi strutturale dell'aerogel, STEM nelle immagini di superficie e analisi elementali in EDX. L'analisi elettrochimica è stata eseguita mediante galvanostato/potenziostato. Dall'analisi voltammetrica ciclica, la capacità specifica più alta per gli aerogel di idrossido di MWCNT/rutenio è stata ottenuta pari a 423 F/g a 5 mV/s. D'altra parte, i valori corrispondenti calcolati dalle curve di carica-scarica sono risultati essere 420,3 F/g e 319,9 F/g alle densità di corrente di 0,5 A/g e 10,0 A/g, rispettivamente. La ritenzione di capacità dell'aerogel così sintetizzato era del 96,38% alla fine dei 5000 cicli di voltammetria ciclica consecutivi.

Oggi, il fabbisogno energetico derivante dall’aumento della popolazione e dall’industrializzazione non può essere soddisfatto a causa delle risorse limitate; di conseguenza, il divario tra produzione e consumo di energia è in rapida crescita. In questo caso, l’utilizzo più efficace delle risorse energetiche disponibili diventa sempre più importante. Lo stoccaggio efficiente dell’energia ottenuta da fonti energetiche rinnovabili e lo sviluppo delle trasformazioni più adeguate contribuiranno a soddisfare il rapido aumento della domanda energetica. In questo contesto, i supercondensatori (SC) offrono vari vantaggi, tra cui un’elevata densità di potenza, una rapida capacità di carica-scarica e un lungo ciclo di vita. Pertanto, hanno raccolto una notevole attenzione tanto da essere impiegati come i migliori sistemi di accumulo di energia in ampi campi di applicazione1,2,3,4,5. Tuttavia, poiché la bassa densità energetica dei supercondensatori ne limiterà le applicazioni future, la progettazione di SC ad alte prestazioni ha importanza scientifica e industriale6. In studi recenti, i ricercatori si sono concentrati su diversi ossidi di metalli di transizione (TMO), che hanno ottime prestazioni elettrochimiche e proprietà rispettose dell'ambiente, da utilizzare negli SC. Gli ossidi metallici, in generale, hanno una densità energetica sostanzialmente maggiore rispetto alle tipiche strutture carboniose e sono più stabili elettrochimicamente rispetto ai materiali polimerici7. RuO2 è il primo ossido di metallo di transizione segnalato per gli SC. Le sue proprietà uniche come l'elevata capacità specifica (fino a 1580 F/g), la stabilità, l'ampia attività faradaica, l'adsorbimento ionico e la buona conduttività elettrica lo hanno reso uno dei candidati più importanti da utilizzare in SC8,9,10.

I CNT, d'altro canto, hanno un'eccellente conduttività elettrica che, a causa dell'architettura fisica unica del legame covalente sp2 tra gli atomi di carbonio, riduce efficacemente la resistività del sistema. Possono fungere da agenti sviluppando una rete conduttiva per ottenere elettrodi ad alte prestazioni grazie alle loro eccezionali proprietà meccaniche. I CNT aiutano a stabilire un'ampia interfaccia elettrolita-elettrodo grazie all'elevata superficie specifica (1300 m2g−1) e soddisfano con successo l'accumulo di energia, oltre alla loro stabilità chimica11,12,13,14,15,16,17,18, 19,20. Tuttavia, i CNT non possono essere utilizzati direttamente come materiale attivo; pertanto, dovrebbero essere combinati con alcuni ossidi metallici (RuO2, MoO2, ecc.) o polimeri conduttivi per ottenere una densità energetica più elevata. D’altro canto, gli aerogel a bassa densità (0,003–0,15 kg/m3), elevata porosità e ampie aree superficiali (500–1000 m2/g) sono noti come i materiali solidi più leggeri. A causa delle dimensioni dei pori e dell’area superficiale regolabili, nonché della loro resistenza meccanica e delle peculiari proprietà fisico-chimiche, gli aerogel hanno un futuro brillante per le applicazioni dei supercondensatori. Insieme alla loro struttura di rete tridimensionale, gli aerogel di carbonio hanno un'eccellente conduttività elettrica. Gli aerogel CNT sono una buona alternativa come materiale per elettrodi di supercondensatori poiché offrono un'ampia area superficiale specifica, conduttività elettrica, natura leggera ed elevata resistenza meccanica21. Le prestazioni elettrochimiche dei nanocompositi sono state recentemente testate con vari tipi di elettroliti.