Ученые объяснили причину возникновения псевдоемкости в суперконденсаторах — Naked Science
16.10.2017
7 минут
Сколтех
152

Ученые объяснили причину возникновения псевдоемкости в суперконденсаторах

Предсказана структура новой реконструкции поверхности диоксида рутения, которая объясняет причину возникновения псевдоемкости на катодах 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
75 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.
Позавчера, 17:36
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

Вчера, 12:17
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

Позавчера, 13:07
2 минуты
Илья Ведмеденко

Очевидно, Россия ведет разработку новой легкой авиационной ракеты, которую можно будет применять для поражения широкого спектра морских и наземных целей.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

Позавчера, 17:36
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

Позавчера, 17:36
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: