Новые гибридные нанокомпозиты на основе полимеров дифениламин-2-карбоновой кислоты, высокопористого углерода с иерархической структурой пор и наночастиц магнетита как эффективные электродные материалы для суперконденсаторов

В ходе реализации проекта впервые получены гибридные композиты на основе полидифениламин-2-карбоновой кислоты (ПДФАК) и активированного ИК-пиролизованного полиакрилонитрила (ИК-ПАН-а) в качестве высокопористого N-допированного углеродного компонента. ИК-ПАН-а получен в условиях пиролиза ПАН в присутствии гидроксида калия под действием ИК-излучения. Интенсивный ИК-пиролиз приводит к формированию высокопористого N-допированного углеродного материала. Установлено, что параметры пористости ИК-ПАН-а зависят от температуры предобработки на воздухе (Тв), интенсивности ИК-пиролиза (Тик) и соотношения предварительно обработанный ПАН:КОН (С). При Тв = 200 С, Тик = 800 С и С = 1:2 получен ИК-ПАН-а, имеющий удельную площадь поверхности 3042 м2/г, объем пор 1.59 см3/г и диаметр пор 2.1 нм. Исследовано электрохимическое поведение ИК-ПАН-а. Удельная электрохимическая емкость достигает 200 Ф/г. Циклическая вольтамперограмма (ЦВА) имеет форму близкую к прямоугольной, что свидетельствует о доминирующем вкладе в результирующую емкость заряжения двойного электрического слоя. Небольшой вклад Фарадеевской псевдоемкости при малых плотностях тока обусловлен редокс-реакциями с участием имеющихся в структуре ИК-ПАН-а атомов азота. Полимер-углеродные композиты на основе ПДФАК и ИК-ПАН-а получены в условиях окислительной полимеризации in situ дифениламин-2-карбоновой кислоты (ДФАК) в присутствии ИК-ПАН-а в кислой среде в 5 М H2SO4 (рН 0.3) и в гетерофазной системе в щелочной среде в смеси NH4OH и хлороформа (рН 11.4) (ИК-ПАН-а/ПДФАКк и ИК-ПАН-а/ПДФАКщ). Композиты подвергали ИК-нагреву в атмосфере азота при 300 и 350 °С в течение 10 мин (ИК-ПАН-а/ПДФАКк-ИК и ИК-ПАН-а/ПДФАКщ-ИК). Структура и морфология композитных материалов доказана методами РСА, ИК Фурье- и КР-спектроскопии, РФЭС, твердотельной 13С ЯМР спектроскопии высокого разрешения с вращением под магическим углом (ВМУ 13С ЯМР) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Методами циклической вольтамперометрии, импедансометрии и измерения гальваностатических зарядно-разрядных кривых исследовано электрохимическое поведение гибридных композитов в протонном (1 М водный раствор H2SO4) и апротонном (1 М раствор LiClO4 в пропиленкарбонате) электролитах. В протонном электролите наибольшую удельную электрохимическую емкость (15 Ф/г) показал композит ИК-ПАН-а/ПДФАКк. При этом значительную часть измеряемой емкости составляет псевдоемкость, на что указывает и меньший угол наклона в области высоких частот спектра импеданса для ИК-ПАН-а/ПДФАКк. Образцы, прошедшие термическую обработку, полностью теряют псевдоемкость и ЦВА приобретают квазипрямоугольную форму, свидетельствующую об основном вкладе в измеряемую емкость заряжения двойного электрического слоя. Разрядные гальваностатические кривые ИК-ПАН-а/ПДФАКк и ИК-ПАН-а/ПДФАКщ показывают зависимость наклона от времени заряжения во всем интервале потенциалов. Установлена линейная зависимость кулоновской емкости от логарифма времени заряжения с характерной точкой изменения наклона прямых. При исследовании ЦВА и гальваностатических зарядно-разрядных кривых гибридных композитов в апротонном электролите с использованием гладкой стеклоуглеродной подложки показано, что емкостные характеристики соответствуют значениям, полученным в минеральном электролите. Форма ЦВА для композитов после ИК-нагрева свидетельствует о преимущественном вкладе в удельную емкость заряжения двойного электрического слоя. Использование гибкой подложки из анодированной графитовой фольги (АГФ), характеризующейся шероховатой поверхностью и слоистой структурой, привело к значительному росту удельной электрохимической емкости. Удельная емкость при токах заряда-разряда 0.5, 1.5, 3.0 мА·cм–2, определенная из гальваностатических кривых заряда-разряда, составляет 248, 164, 102 Ф/г (ИК-ПАН-а/ПДФАКк) и 226, 148, 98 Ф/г (ИК-ПАН-а/ПДФАКщ). При этом форма ЦВА до и после ИК-нагрева приближается к прямоугольной, что свидетельствует о том, что двойнослойное заряжение вносит основной вклад в измеряемую удельную емкость.