Preparatyka materiałów elektrodowych z aktywnymi cząstkami molibdenu w osnowie grafenowej

Energię elektryczną tak potrzebną w życiu codziennym do napędzania drobnych elementów użytkowych, jak i wielkich zespołów przemysłowych, można gromadzić stosując szereg nowoczesnych materiałów. Przede wszystkim należy wymienić tutaj ogniwa fotowoltaiczne, baterie i kondensatory. Każdy z wymienionych typów urządzeń cechuje się własnymi parametrami, a dzięki temu znajduje odmienne zastosowanie. 

Gromadzenie energii w kondensatorach polega na tworzeniu warstwy podwójnej między ładunkami ujemnymi i dodatnimi na powierzchni elektrod. Istota tego parametru powoduje, że popularnymi materiałami elektrodowymi są na przykład struktury węglowe o rozbudowanej powierzchni właściwej. Wzrost pojemności takiego kondensatora poprzez zastosowanie wysoce porowatego materiału, spowodował wyodrębnienie z rodziny kondensatorów materiałów określanych terminem „superkondensatory”. 

W miarę rozwoju innych technik gromadzenia energii wykorzystujących reakcje chemiczne, jak ma to miejsce w bateriach litowo-jonowych, zrodził się koncept połączenia możliwości czysto fizycznego rozdziału ładunku i reakcji chemicznych elektroda-elektrolit celem dodatkowego zwiększenia nominalnej pojemności właściwej kondensatora. Ta relatywnie nowa grupa materiałów nosi nazwę superkondensatorów hybrydowych. Materiały tego typu składają się z węglowej matrycy o dużej powierzchni właściwej i odpowiedniej porowatości, najczęściej w postaci węgli aktywnych oraz dodatku reagującego z elektrolitem. Dodatkami aktywnymi mogą być zarówno tlenki metali, które charakteryzują się wysoką teoretyczną pojemnością właściwą lub polimery przewodzące. Spośród szeregu dostępnych metali przejściowych największą uwagę zyskał w ostatnich latach tlenek rutenu(IV), jednak wysoka cena takiego materiału, a w konsekwencji wysoka cena gotowego produktu powodują, że poszukiwanie optymalnego substytutu nadal trwają. 

W ramach badań prowadzonych w Zakładzie Hydrometalurgii Instytutu Metali Nieżelaznych poszukiwane są nowe materiały węglowe, których parametry będą je predestynowały do wykorzystania jako matryce węglowe w superkondensatorach. Prowadzone badania skupiają się również na doborze odpowiednich związków aktywnych interkalowanych w wolne przestrzenie węglowej osnowy. 

Jedną z podjętych przez nasz zespół badawczy prac była preparatyka materiałów elektrodowych z aktywnymi cząstkami molibdenu w osnowie grafenowej. Weryfikacja możliwości wykorzystania tlenkowych związków molibdenu była następstwem optymistycznych, choć bardzo zdawkowych doniesień literaturowych. 

Duża liczba możliwych stopni utlenienia molibdenu, jego względnie niska cena oraz duże doświadczenie zespołu w chemii metali trudnotopliwych, przyczyniły się do zintensyfikowania prac w tym obszarze. W trakcie badań ustalono możliwe metody impregnacji matrycy węglowej (grafenowej) prekursorami molibdenu, dokonano analizy strukturalnej otrzymanych kompozytów, ustalono powierzchnię właściwą i porowatość oraz dokonano pełnej charakterystyki elektrochemicznej wykorzystując technikę woltamperometrii cyklicznej, chronopotencjometrii i elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej.

Schemat przedstawia przebieg syntezy kompozytu materiału węglowego i molibdenu do zastosowania w superkondensatorach