نشست الکتروشیمیایی نانوساختارهای اکسید منگنز روی سوبسترای فیبر کربنی متخلخل و فوم نیکلی تزیین شده با مس به عنوان الکترودهای به کار رفته در ابرخازن های الکتروشیمیایی

در سالهای اخیر، ابرخازن های الکتروشیمیایی به عنوان یک سیستم ذخیره انرژی جذاب به دلیل دانسیته توان بالا و پایداری زیاد در مقایسه با باتری ها و دانسیته انرژی بالاتر از خازن های معمولی مورد توجه قرار گرفته است. این موضوع توانایی آن را در کاربرد در وسایل الکتریکی، وسایل الکتریکی قابل حمل و دیگر نشان می دهد. مواد مختلفی برای استفاده در ابرخازن های الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار گرفته است مانند کربن، پلیمرهای هادی و اکسید فلزات واسطه، در میان این مواد منگنز اکسید با توجه به خصوصیاتی مانند ظرفیت خازنی بالا، قیمت کم، فراوانی طبیعی و سازگاری با محیط زیست علاقه قابل توجهی را به عنوان ماده مورد استفاده در ابرخازن ها به خود جلب کرده است. اگرچه هدایت الکتریکی پایین منگنز اکسید سرعت شارژ و دشارژ آن را برای کاربرد در توان های بالا محدود می کند، برای اصلاح هدایت پایین منگنز اکسید افزودنی های با هدایت بالا مثل نانولوله های کربنی، مواد گرافیتی لایه ای، گرافن اکسید و پودر کربن با منگنز اکسید ترکیب شده است. بنابراین، تلاش شده است تا منگنز اکسید به صورت فاصله دار روی موادی با هدایت الکتریکی بالا ترسیب شود. این ترکیب هدایت الکترون و انتقال الکترولیت را در فیلم الکترود آسان می کند که در پی آن رفتار خازنی منگنز اکسید بهبود می یابد. فیبرهای کربنی به دلیل برخورداری از ساختار سه بعدی، مساحت بالا، پایداری شیمیایی و هدایت الکتریکی به عنوان یک الکترود امید بخش در ساخت ابرخازن ها به کار می رود و فوم نیکلی که یک ماده تجاری با هدایت الکتریکی بالا، وزن کم و ساختار سه بعدی است، مساحت سطحی بالایی را فراهم می کند که می تواند به عنوان یک الکترود مناسب به عنوان بستر به کار رود. روشهای مورد استفاده برای تهیه فیلم منگنز اکسید غالبا بر پایه مخلوط کردن پودر منگنز اکسید با یک اتصال دهنده و یک افزودنی هادی بر روی یک بستر هادی می باشد. تکنیک ترسیب الکتروشیمیایی مزایایی را نسبت به سایر روش دارد : مورفولوژی، وزن و ضخامت فیلم به آسانی با کنترل جریان، ترکیب حمام و دمای حمام قابل کنترل است. در کار حاضر فیبر کربنی متخلخل شده به روش الکتروشیمیایی به عنوان بستر برای ترسیب الکتروشیمیایی نانوساختارهای منگنز اکسید برای رفتار ابرخازنی فارادایی مورد استفاده قرار گرفت. همچنین فوم نیکلی به عنوان بستر برای ترسیب الکتروشیمیایی کاتدی نانوصفحه های منگنز اکسید انتخاب گردید اما در ابتدا فوم نیکلی با نانوذرات مس به منظور بالا بردن هدایت الکتریکی منگنز اکسید تزیین گردید. مورفولوژی سطح الکترود منگنز اکسید ترسیب شده روی فیبر کربنی متخلخل و الکترود منگنزاکسید ترسیب شده روی فوم نیکلی تزیین شده با مس به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد. همچنین از آنالیز وزن سنجی حرارتی، تفرق اشعه ایکس (edx) و پراش پرتو ایکس برای بررسی ساختار و ترکیب الکترود تهیه شده استفاده گردید. کارآیی الکتروشیمیایی الکترود منگنز اکسید ترسیب شده روی فیبر کربنی متخلخل و الکترود منگنزاکسید ترسیب شده روی فوم نیکلی تزیین شده با مس با روش¬های ولتامتری چرخه ای، شارژ- دشارژ گالوانواستاتیک و طیف¬سنجی امپدانس الکتروشیمیایی مطالعه شد. حداکثر ظرفیتf.g-1 778 در دانسیته جریان -1 a.g 2 برای الکترود منگنز اکسید ترسیب شده روی فیبر کربنی متخلخل به دست آمد. علاوه بر ظرفیت بالای حاصل شده برای الکترود جدید تهیه شده، این الکترود توانایی تخلیه سریع بار را داشت و همچنین پایداری چرخه ای بالایی را نشان داد به طوری که بعد از 1000 چرخه شارژ- دشارژ در دانسیته جریان -1 a.g 20 بیش از 94% ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد. برای الکترود منگنز اکسید ترسیب شده روی فوم نیکلی تزیین شده با مس برای جرم کمی از منگنز اکسید، ظرفیت خازنی f.g-1 678 و ظرفیت سطحی mf.cm-2 7/99 در سرعت روبش mv.s-1 5 به دست آمد. پایداری چرخه ای این الکترود با ولتامتری چرخه ای در سرعت روبش mv.s-1 200 بررسی شد و پایداری چرخه ای عالی 88% را پس از 2000 چرخه نشان داد. استفاده واقعی از ابرخازن ها نیاز به ظرفیت های سطحی بالا دارد. بنابراین، در این کار ما یک روش ساده و موثر را برای تهیه منگنز اکسید با جرم زیاد روی الکترود فوم نیکلی اصلاح شده با مس برای ابرخازن های الکتروشیمیایی پیشنهاد کردیم. الکترود nf/cu/mno2 ( جرم منگنز اکسید: mg 4/3) ظرفیت خازنی سطحی بالای mf.cm-2 557 (f.g-1 4/163) را نشان داد. توانایی برای توسعه موثر الکترودهای به کار رفته در ابرخازن های الکتروشیمیایی با جرم بالای ماده فعال می تواند راهگشای فرصت هایی برای ابرخازن ها با ظرفیت سطحی و دانسیته انرژی بالا باشد.