Том 60, № 7 (2024)

Нанокомпозит резорцин-формальдегидного ксерогеля и углеродных нанотрубок после карбонизации получен в виде композитной углеродной нанобумаги (КУНБ) толщиной 100–300 мкм, плотностью от 0.1 г/см³ до 0.5 г/см³ и электронной проводимостью более 10 См/см. Микропористую структуру нанобумаги формирует карбонизованнный резорцин-формальдегидный ксерогель (RF-ксерогель), а мезопористую структуру образует каркас нанотрубок. Ранее были измерены характеристики электродов из нанобумаги в водном электролите 1 M H₂SO₄, где была достигнута максимальная емкость 155 Ф/г (56 Ф/см³). Для работы с органическим электролитом разработана методика активации КУНБ гидроокисью калия. В настоящей работе измерены характеристики электродов из активированной нанобумаги (а-КУНБ) в органическом электролите – 1 М растворе в ацетонитриле тетрафторбората диметилпирролидиния (DMPBF₄). Достигнута емкость в этом электролите – 70 Ф/г (27 Ф/см³). По измерениям на лабораторной сборке симметричного суперконденсатора (СК) с электродами из КУНБ рассчитаны характеристики при работе СК в режиме импульсных переключений с эффективностью EF = 95%. В водном электролите 1 M H₂SO₄ (U₀ = 1.0 В) удельная энергия составила E_0.95,SC = 0.9 Вт ч/л и удельная мощность P_0.95,SC = 2.1 кВт/л. В органическом электролите 1 М DMPBF₄/ацетонитрил (U₀ = 2.7 В) расчетные характеристики конденсатора составили: удельная энергия E_0.95,SC = 3.8 Вт ч/л и удельная мощность P_0.95,SC = 2.0 кВт/л. Проведено сравнение удельных характеристик силовых СК с электродами из активированной КУНБ и с наилучшими по своим показателям электродами из других углеродных материалов. При массовом производстве электроды из нанокомпозита, по оценке, будут дешевле активированных углеродных микроволокон и существенно дешевле электродов из графена.

Предложенный недавно экспресс-метод экспериментального определения коэффициентов диффузии электроактивных ионов внутри мембраны и их коэффициентов распределения на границе мембрана/раствор (Электрохимия, 2022, 58, 870 / Russ. J. Electrochem., 2022, 58, 1103) основан на сопоставлении измерений нестационарного тока в системе электрод/мембрана/раствор электролита после скачка потенциала с теоретическими выражениями для зависимости тока от времени. В предыдущих работах применение этого метода для изучения транспорта бромид-аниона через мембрану проводилось в условиях селективной проницаемости (пермселективности) мембраны для неэлектроактивных противоионов, когда напряженность электрического поля внутри нее подавлена их высокой концентрацией, так что движение коионов (бромид-анионов), имеющих внутри мембраны гораздо более низкую концентрацию, происходит по диффузионному механизму, для которого имеются решения в аналитической форме. В данной работе впервые рассмотрен нестационарный электродиффузионный транспорт двух однозарядных ионов (например, фонового катиона М⁺ и электроактивного аниона Х^–) с одинаковыми коэффициентами диффузии внутри мембраны, где в этой пространственной области индуцируется нестационарное электрическое поле, что приводит к отклонению от предсказаний для диффузионного механизма. Установлено, что в интервале коротких времен после скачка потенциала от равновесного состояния мембраны до режима предельного тока, когда толщина нестационарного диффузионного слоя значительно меньше, чем толщина мембраны, нестационарные распределения концентраций ионов и напряженности электрического поля как функции двух переменных (пространственной х и временной t) могут быть выражены через функцию одной переменной Z(z), где z = x/(4Dt)^1/2, вид которой в зависимости от отношения поверхностной концентрации компонента Х к плотности фиксированного заряда внутри мембраны (X_m/C_f ) был найден численным интегрированием. Предельный ток меняется во времени по формуле Коттрелла (I ~ t^–1/2); зависимость безразмерной амплитуды тока i от параметра X_m/C_f найдена численным расчетом, предложена также приближенная аналитическая формула. В частности, показано, что при малой концентрации коионов у границы мембрана/раствор электролита по сравнению с концентрацией фиксированных заряженных групп мембраны (X_m/C_f$\ll$1) проходящий ток близок к предельному диффузионному, тогда как при выполнении противоположного условия (X_m/C_f$\gg$1) миграционный вклад в потоки ионов приводит к удвоению предельного тока.