НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ КОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ МАТРИЦ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ КАМЕННОУГОЛЬНОГО СЫРЬЯ, ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
Authors: ЗАХАРОВ Ю.А. , СИМЕНЮК Г.Ю. , СЕРГИНА Т.О. , ЛАРИЧЕВ Т.А. , ПУГАЧЕВ В.М. , ДОДОНОВ В.Г. , ЗЫКОВ И.Ю. 
Published: October 2024

Исследована морфология, пористая структура и электроемкостные характеристики высокопористых углеродных матриц (ВПУМ), полученных из каменноугольного сырья с различной степенью метаморфизма, и наноструктурированных композитов (НСК) на их основе, поверхность которых декорирована наноразмерными частицами (НРЧ) золота или оксида марганца, накапливающими при поляризации в электролите электрический заряд по двум механизмам (формирование двойного электрического слоя (ДЭС) и включение псевдоемкостной составляющей в ходе Red-Ox реакций на электродах). Образцы ВПУМ получали высокотемпературной (800 °С) щелочной активацией (массовое соотношение KOH/C = 2 : 1) ископаемых углей угольных бассейнов Кемеровской области и Республики Саха (Якутия): САК - на основе антрацита Кийзасского разреза (Кузбасс) с наиболее высокой степенью углефикации; СБК - на основе Богхеда (разновидность сапропелевых углей) Таймылырского месторождения (Якутия) с самой низкой степенью метаморфизма, СДК - на основе длиннопламенного угля (Кузбасс), занимающего промежуточное положение в ряду метаморфизма. Результаты сканирующей электронной микроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния в сочетании с сорбометрией показали, что морфология НСК в значительной мере (за исключением субмикронных агрегатов) определяется пористой структурой матриц. Форма кривых циклической вольтамперометрии (ЦВА) для образцов ВПУМ СДК, СБК и наполненных Au-НРЧ НСК на их основе указывает на существенный вклад в емкость ДЭС; для композитного электрода MnOx/СДК наблюдается вклад псевдоемкости. Особенности ЦВА-кривых микропористых ВПУМ САК и НСК на их основе, вероятно, вызваны диффузионными затруднениями. Удельная электрическая емкость выше при поляризации ВПУМ СДК и СБК с бóльшими долями мезопор, а также НСК на их основе, чем при поляризации микропористых ВПУМ САК и соответствующих композитов. Для всех трех ВПУМ введение наполнителей вызывает увеличение емкости электродов. Эффект более значителен для НСК, полученных из каменных углей с низкой степенью метаморфизма (увеличение до 1.8 и 1.6 раз относительно емкости исходных матриц для НСК на основе СДК и СБК соответственно, согласно данным электрохимической импедансной спектроскопии), и связан со снижением активного сопротивления ячеек, сопротивления переноса заряда и в целом активной составляющей импеданса.

The article reports the results of the study of the morphology, porous structure and electrical capacitance characteristics of highly porous carbon matrices (HPCMs) obtained from coal raw materials with different degrees of metamorphism and nanostructured composites (NSCs) based on them, the surface of which is decorated with gold or manganese oxide nanosized particles (NP), accumulating electrical charge during polarization in the electrolyte via two mechanisms (formation of an electrical double layer (EDL) and involvement of pseudo-capacitance component during Red-Ox reactions on electrodes). The samples of HPCMs were obtained by high-temperature (800 oC) alkaline activation (the mass ratio KOH/C = 2 : 1) of fossil coal from the coal basins of the Kemerovo Region and the Republic of Sakha (Yakutia): CAK - based on anthracite of the Kiyzasskiy open-pit mine (Kuzbass), with the highest coalification degree; CBK - based on boghead (a kind of sapropel coal ) from the Taymylyr deposit (Yakutia) with the lowest degree of metamorphism; CDK - based on long-flame coal (Kuzbass) occupying an intermediate position in the metamorphism series. Results obtained by scanning electron microscopy, small-angle X-ray scattering in combination with sorptometry showed that the NSC morphology is largely determined (except for submicron aggregates) by the porous structure of the matrices. The shape of cyclic voltammetry (CVA) curves for HPCMs CDK, CBK and Au-NP filled NSC based on them indicated a significant contribution from EDL into capacitance; the contribution of pseudo-capacitance is observed for the composite MnOx/CDK electrode. The features of CVA curves for microporous CAK HPCM and NSC based on it are probably caused by hindered diffusion. The specific electrical capacitance is higher as a result of the polarization of CDK and CBK HPCM with large proportions of mesopores, as well as NSCs on their basis, than that resulting from the polarization of microporous CAK and the corresponding composites. For all three HPCMs, the introduction of fillers causes an increase in the electrode capacitance. The effect is more significant for NSCs obtained from hard coals with a low level of metamorphism (an increase up to 1.8 and 1.6 times with respect to the capacitance of initial matrices for NSCs based on CDK and CBK, respectively, according to the impedance measurement data), which is due to a decrease in the active resistance and the charge transfer resistance of the cells, and, in general, to the active component of the impedance.