Моделирование, синтез и исследование композитных материалов на основе функционализированных углеродных нанотрубок и полианилина для применения в электрохимических накопителях электроэнергии

Проект направлен на решение фундаментальных задач моделирования и синтеза композитных материалов на основе функционализированных углеродных нанотрубок (УНТ) и полианилина с повышенными электрохимическими характеристиками для производства электродов накопителей электроэнергии (суперконденсаторов). Для производства электродов суперконденсаторов в промышленных масштабах применяются определенные марки мелкодисперсного графита или глобулярного технического углерода, которые обеспечивают запасание энергии за счёт формирования двойного электрического слоя (ДЭС) на границе «электрод-электролит». Удельная ёмкость таких материалов, как правило, не превышает 150 Ф/г. Перспективой таким материалам являются электропроводящие полимеры, в которых запасание энергии обеспечивается не только формированием ДЭС, но и протеканием окислительно-восстановительных (Фарадеевских) реакций. Полианилин (ПАНИ) является наиболее широко исследуемым проводящим полимером в данном направлении вследствие простоты синтеза, низкой стоимости и высокой электро- и теплопроводности, высокой электрохимической активности. Однако, использование его в «чистом виде» ограничивается низкими механическими свойствами. Введения в матрицу полимера УНТ позволяет получать композиты с повышенными механическими и электрофизическими характеристиками. Синергетический эффект достигается за счёт близкой химической структуры УНТ и ПАНИ. В дополнении к этому нанотрубки значительно повышают удельную площадь поверхности материала и выступают в качестве дополнительных каналов проводимости (улучшает мощностные характеристики суперконденсаторов). Оксиды переходных металлов являются перспективными материалами для использования в качестве электродов в накопителях энергии. Среди них оксид рутения (RuO2) обладает высокой удельной теоретической емкостью (2000 Ф/г), хорошей электропроводностью, высокой скоростью переноса заряда и высокой химической и термической стабильностью. Однако его редкость, стоимость и токсичность ограничивают его применение. Оксид марганца (MnO2) является наиболее конкурентным оксидом металла благодаря его высоким значениям теоретической ёмкости (1380 Ф/г), низкой стоимости и нетоксичности. Однако его применению в суперконденсаторах препятствует его плохая проводимость и низкая скорость переноса заряда. Данные ограничения можно преодолеть путём создания композитных материалов, как с УНТ, так и с ПАНИ. Одной из фундаментальных проблем создания композитов является адгезия компонентов на межфазной границе. Оксиды металлов обладают низкой адгезией к поверхности бездефектных МУНТ. Создание дефектов на поверхности МУНТ возможно путём их обработки в агрессивных средах, либо с применением направленных потоков заряженных частиц. При этом в зависимости от вида обработки могут формироваться функциональные группы различного типа, наличие которых может повысить адгезию оксидов металлов к поверхности МУНТ. При этом на интерфейсах «оксид металла–МУНТ» и «оксид металла–ПАНИ» может формироваться энергетический барьер для носителей заряда, который негативно скажется на электрохимических характеристиках композита. Применение современных методов компьютерного моделирования, основанного на теории функционала плотности (density functional theory, DFT), взаимодействия поверхности УНТ, содержащей дефекты различной природы, ПАНИ и оксида марганца в различных зарядовых состояниях позволит определить их оптимальные сочетания для достижения высокой адгезии и транспорта зарядов. Результаты таких расчётов могут значительно сократить объём поисковых работ по получению материалов с оптимальными характеристиками.