Синтез и исследование наноструктурированных композитных материалов с диоксидом марганца для суперконденсаторов

В работе использованы сонохимический синтез, метод напряженного помола для перевода компонентов в наноразмерное механоактивированное состояние, методики окисления/восстановления углеродных материалов, пиролиз продукта поликонденсации резорцина с формальдегидом с последующим сонохимическим осаждением диоксида марганца. Для аттестации фазового состава, микроструктуры, зарядового состояния, а также анализа углеродных модификаций использованы методы: рентгеновская дифракция, рентгеновская фотоэлектронная и спектроскопия, фотометрия, комбинационное рассеянии света, сканирующая электронная спектроскопия, электрохимические измерения. Получены новые экспериментальные данные по синтезу, строению и электрохимическим характеристикам (емкость) композитов на основе углеродных материалов и диоксида марганца. Осуществлен высокотемпературный электролиз субмикронного порошка металлического марганца со средним размером частиц порядка 200 нм. Теоретический расчет площади поверхности таких материалов, основанный на геометрии зерен и оценочной насыпной плотности, дал оценку в 20 м²/г. Результаты рентгеноструктурных исследований, а также спектров рентгеновской фотоэмиссии показали наличие на поверхности металла фазы гаусманита (Mn₃O₄). С помощью циклических вольтамперограмм полученных образцов была найдена удельная емкость, которая составила около 5 Ф/г. Сделано заключение о необходимости понижения температуры электролиза и вариациях состава электролита, которые обеспечили бы большую вязкость. Получены три типа углеродного материала для суперконденсаторов MnO₂/C: 1) продукт пиролиза резорцинол-формальдегидного ксерогеля (ППРФ), 2) окисленный графит (ОГ); 3) восстановленный оксид графита. Установлено, что под действием ультразвукового излучения оксид марганца (IV) практически полностью адсорбируется из раствора марганецсодержащих солей (KMnO₄, MnSO₄) на восстановленном ОГ с образованием δ-MnO₂; на углеродном материале ППРФ сорбция оксида марганца незначительна. Наибольшей электрической емкостью из всех полученных композитов С/MnO₂ обладает образец на основе δ-MnO₂ и восстановленного ОГ со специально добавленными наночастицами (<10 нм) восстановленного ОГ. Под действием ультразвукового облучения суспензий ППРФ и восстановленного ОГ при комнатной температуре наблюдалось образование углеродных волокон (УВ), в то время как в существующих технологиях УВ производят при высоких температурах. При совместной механоактивации наноструктурированных оксида Fe₂O₃ и графита наблюдались следующие эффекты: восстановление Fe³⁺ до Fe²⁺ с образованием дефектного (катион дефицитного) магнетита, расслоение графита на графеновые чешуйки, рекристаллизация фазы α-Fe₂O₃, сопровождающаяся ростом зерен и релаксацией напряжений.