Керамоматричный композит из карбида кремния и допированного азотом наноструктурированного углерода для электродов суперконденсаторов

Представлены результаты исследований по получению пористого керамоматричного композитного материала C–N/SiC из карбида кремния и допированного азотом наноструктурированного углерода. Материал сформирован посредством прессования микропорошка (1 мкм) карбида кремния и пропитки раствором карбамида (источ ник азота) в фенолформальдегидном лаке (источник углерода), сушки и пиролиза в атмосфере азота. Получена максимальная при 50 °С концентрация карбамида в растворе (16 мас.%) с вязкостью 134,3 мПа·с. Термогравиметрический анализ в азоте высушенного раствора выявил многостадийное разложение с остаточной массой C–N 48 % при 1000 °С. Исследования элементного состава показали содержание азота 1,4 мас.% в композите C–N/SiC (до 7 % от активной массы C–N). В структуре композита углерод-азотный слой C–N (до 12 мас.%), распределенный внутри пор матрицы и покрывающий зерна SiC, является рентгеноаморфным и обладает комплексным наноразмерным рельефом со средним размером пор 1,0–1,5 нм. По данным электрохимических исследований удельная емкость материала C–N/SiC и активного слоя C–N составляет 16,84 и 153,2 Ф/г соответственно, а эквивалентное сопротивление тестовой суперконденсаторной ячейки с электродами C–N/SiC равно 0,567 Ом для образцов с максимальным допированием. Электроды работают по сорбционно-десорбционному механизму накопления и отдачи заряда, что характерно для классического суперконденсатора, работающего на двойном электрическом слое без присутствия окислительно-восстановительных реакций на электродах. Выявлено влияние технологических режимов пиролиза на электрофизические параметры ячейки: более низкие значения температуры пиролиза и давления азота в камере позволяют повысить удельную емкость материала и понизить эквивалентное сопротивление ячейки. Полученные результаты демонстрируют возможность применения C–N/SiC-материала для изготовления электродов суперконденсаторов.

1. Review on recent advances in nitrogen-doped carbons: preparations and applications in supercapacitors / Yuanfu Deng [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2016. – Iss. 4. – P. 1144–1173. https://doi.org/10.1039/c5ta08620e

2. Carbons and Electrolytes for Advanced Supercapacitors / F. Béguin [et al.] // Adv. Mater. – 2014. – Vol. 26. – P. 2219–2251. https://doi.org/10.1002/adma.201304137

3. Recent advancement of nanostructured carbon for energy applications / Zhibin Yang [et al.] // Chem. Rev. – 2015. – Vol. 115, № 11. – P. 5159–5223. https://doi.org/10.1021/cr5006217

4. Evolution of nitrogen functionalities in carbonaceous materials during pyrolysis / J. R. Pels [et al.] // Carbon. – 1995. – Vol. 33, iss 11. – P. 1641–1653. https://doi.org/10.1016/0008-6223(95)00154-6

5. Nitrogen-doped carbon materials / Michio Inagaki [et al.] // Carbon. – 2018. – Vol. 132. – P. 104–140. https://doi. org/10.1016/j.carbon.2018.02.024 6.

6. Surface chemistry, pore sizes and adsorption properties of activated carbon fibers and precursors treated with ammonia / C. L. Mangun [et al.] // Carbon. – 2001. – Vol. 39, iss. 12. – P. 1809–1820. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00319-5

7. Facile synthesis of nitrogen-doped carbon materials with hierarchical porous structures for high-performance supercapacitors in both acidic and alkaline electrolytes / Y. Li [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2019. – Iss. 7. – P. 13154–13163. https://doi.org/10.1039/C9TA00890J

8. Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage / Tianquan Lin [et al.] // Science. – 2015. – Vol. 350, iss. 6267. – P. 1508–1513. https://doi.org/10.1126/science.aab3798

9. Nitrogen-doped carbon monolith for alkaline supercapacitors and understanding nitrogen-induced redox transitions / Da-Wei Wang [et al.] // Chem. Eur. J. – 2012. – Vol. 18, iss. 17. – P. 5345–5351. https://doi.org/10.1002/chem.201102806

10. Кери, Ф. Углубленный курс органической химии: пер. с англ. / Ф. Кери, Р. Сандберг. – М.: Химия, 1981. – Книга 2: Реакции и синтезы. – 456 с.

11. Pyridinic N doped graphene: synthesis, electronic structure, and electrocatalytic property / Zhiqiang Luo [et al.] // J. Mater. Chem. – 2011. – Vol. 21, iss. 22. – P. 8038–8044. https://doi.org/10.1039/C1JM10845J

12. Nitrogen-doped graphene: beyond single substitution and enhanced molecular sensing / Ruitao Lv [et al.] // Sci. Rep. – 2012. – Vol. 2. – Art. ID 586. https://doi.org/10.1038/srep00586

13. Nitrogen and boron doped monolayer graphene by chemical vapor deposition using polystyrene, urea and boric acid / Tianru Wu [et al.] // New J. Chem. – 2012. – Vol. 36, iss. 6. – P. 1385–1391. https://doi.org/10.1039/C2NJ40068E

14. Synthesis of nitrogen-doped mesoporous carbon for high-performance supercapacitors / Kehan Liang [et al.] // New J. Chem. – 2019. – Vol. 43, iss. 6. – P. 2776–2782. https://doi.org/10.1039/C8NJ05938A

15. Synthesis of Nitrogen-Doped Porous Carbon Nanofibers as an Efficient Electrode Material for Supercapacitors / Li-Feng Chen [et al.] // ACS Nano. – 2012. – Vol. 6, iss. 8. – P. 7092–7102. https://doi.org/10.1021/nn302147s

16. Hydrothermal synthesis of macroscopic nitrogen-doped graphene hydrogels for ultrafast supercapacitor / Ping Chen [et al.] // Nano Energy. – 2013. – Vol. 2, iss. 2. – P. 249–256. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.09.003

17. Pyrrolic-structure enriched nitrogen doped graphene for highly efficient next generation supercapacitors / F. M. Hassan [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2013. – Iss. 8. – P. 2904–2912. https://doi.org/10.1039/C2TA01064J

18. Hydrothermal synthesis and activation of graphene-incorporated nitrogen-rich carbon composite for high-performance supercapacitors / Xiaoming Fan [et al.] // Carbon. – 2014. – Vol. 70. – P. 130–141. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.12.081

19. Characterization of Nitrogen-containing Active Carbon Catalysts for SO2 Removal / Akio Nishijima [et al.] // Bull. Chem. Soc. Jpn. – 1982. – Vol. 55, № 8. – P. 2618–2621. https://doi.org/10.1246/bcsj.55.2618

20. Porous structure and surface chemistry of nitrogen containing carbons from polymers / J. Lahaye [et al.] // Carbon. – 1999. – Vol. 37, iss. 4. – P. 585–590. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(98)00225-5

21. N-doped porous carbons with exceptionally high CO2 selectivity for CO2 capture / Xiaomin Ren [et al.] // Carbon. – 2017. – Vol. 114. – P. 473–481. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.12.056

22. Synthesis of nitrogen-doped porous graphitic carbons using nano-CaCO3 as template, graphitization catalyst, and activating agent / Guangwen Yang [et al.] // Carbon. – 2012. – Vol. 50, iss. 10. – P. 3753–3765. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.03.050

23. Large scale synthesis of N-doped multi- layered graphene sheets by simple arc-discharge method / Nan Li [et al.] // Carbon. – 2010. – Vol. 48, iss. 1. – P. 255–259. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.09.013

24. Flowing nitrogen assisted-arc discharge synthesis of nitrogen-doped single-walled carbon nanohorns / Li Sun [et al.] // Appl. Surf. Sci. – 2013. – Vol. 277. – P. 88–93. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.04.006

25. Synthesis, structure, and properties of boron- and nitrogen-doped graphene / L. S. Panchakarla [et al.] // Adv. Mater. – 2009. – Vol. 21, iss. 46. – P. 4726–4730. https://doi.org/10.1002/adma.200901285

26. Synthesis of reinforced ceramic matrix composite based on sic and nanocarbon mesh / D. V. Solovei [et al.] // J. Eng. Phys. Thermophy. – 2019. – Vol. 92. – P. 1016–1024. https://doi.org/10.1007/s10891-019-02015-4

27. Керамический матричный композит из карбида кремния и наноструктурированного углерода с высокой удельной поверхностью / Д. В. Соловей [и др.] // Тепло- и массоперенос – 2019: сб. науч. тр. – Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, 2020. – С. 131–139.

28. Зотов, А. Т. Мочевина / А. Т. Зотов. – М.: Госхимиздат, 1963. – 174 с.

29. Effect of technological parameters on densification of reaction bonded Si/SiC ceramics / P. S. Grinchuk [et al.] // J. Eur. Cer. Soc. – 2018. – Vol. 38, iss. 15. – P. 4815–4823. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2018.07.014