Ученые объяснили причину возникновения псевдоемкости в суперконденсаторах

Исследование провели специалисты из Сколтеха и Ереванского государственного университета.

В эпоху нанотехнологий уменьшение электронных устройств до нанометровых размеров приводит к увеличению влияния поверхностных и квантовых эффектов на свойства и стабильность всего устройства. Таким образом, критически важным является понимание процессов, происходящих на поверхности материалов. В настоящее время наиболее изученным и используемым материалом для электронных приложений является диоксид рутения RuO₂.

Этот материал широко используется в суперконденсаторах (конденсаторах, емкость которых на несколько порядков превышает емкость обычных конденсаторов при тех же габаритах) в качестве материала для катодов. Однако многие эффекты, возникающие в суперконденсаторах, до сих пор остаются неизученными. Так, например, неизвестна причина возникновения псевдоемкости на поверхности катодов суперконденсаторов.

Псевдоемкость – явление, при котором заряд накапливается на поверхности электродов посредством электрохимических реакций. Обычно она возникает за счет внедрения (интеркаляции) ионов водорода в поверхность катодов. Экспериментально псевдоемкость можно наблюдать, но объяснить причину ее возникновения до настоящего исследования не получалось. Для этих целей необходимо использовать современные методы компьютерного моделирования, позволяющие проводить исследования процессов на атомном уровне.

Многие теоретические работы были посвящены изучению кристаллографической поверхности (110) диоксида рутения, которая является наиболее устойчивой и многообещающей для электроники.

«Мы предсказали новую термодинамически стабильную атомную реконструкцию поверхности (110) диоксида рутения. Эта реконструкция имеет один четырехкоординированный атом рутения и 4 атома кислорода, два из которых являются двухкоординированными, соединенные с поверхностью, а два других – однокоординированными.

Детальное исследование стабильности показывает, что новая реконструкция имеет более низкую поверхностную энергию по сравнению с ранее изученными модификациями поверхности (110) и может существовать при нормальных условиях», – рассказывает Александр Квашнин, один из авторов исследования, сотрудник лаборатории компьютерного дизайна материалов Сколтеха, возглавляемой профессором Артемом Огановым.

Сравнение полученных данных с экспериментом было проведено посредством моделирования снимков сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Было показано, что экспериментальные снимки СТМ полностью совпадают не только с новой предсказанной реконструкцией, но и со снимками ранее исследованных модификаций поверхности (110)-RuO₂. Таким образом, можно сделать вывод, что с точки зрения эксперимента, все исследованные поверхности идентичны и не могут быть различимы.

Исследование возникновения псевдоемкости на поверхности было проведено путем моделирования процесса интеркаляции атомов водорода в реконструированную поверхность (110). Было показано, что данный процесс является энергетически выгодным для предсказанной реконструкции, по сравнению с чистой (110) поверхностью и другими исследуемыми ранее модификациями поверхности (110).

Сопоставление данных о низкой энергии новой поверхности, ее электрохимических свойств и данных по моделированию СТМ позволили ученым объяснить возникновение псевдоемкости за счет особой атомной структуры реконструированной поверхности (110) диоксида рутения на которой проходят окислительно-восстановительные реакции.

Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.

Сколтех

243 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше