Оксид железа на азот-допированном углероде, полученном из железных МОФ и полианилина, в качестве связующего не требующего электрода для симметричных суперконденсаторов

Почему важно ускорить хранение энергии

По мере того как наши дома, устройства и электромобили всё больше зависят от чистой энергии солнца и ветра, нам нужны способы быстро, безопасно и надёжно сохранять эту энергию в течение многих лет. Традиционные батареи могут аккумулировать большие объёмы энергии, но заряжаются и разряжаются относительно медленно и со временем изнашиваются. В этом исследовании изучается новый тип материала для суперконденсаторов — устройств, которые могут заряжаться за секунды и выдерживать десятки тысяч циклов — с целью сократить разрыв между скоростью конденсаторов и ёмкостью батарей.

Создавая лучший «энергетический губчатый» материал

Исследователи сосредоточились на проектировании электрода — части суперконденсатора, которая фактически хранит заряд — который одновременно был бы высокоопроводящим и богатым мельчайшими полостями для ионов. Они начали с железосодержащих металло‑органических каркасов (МОФ), представляющих собой пористые кристаллические материалы, и с полианилина, известного проводящего полимера. Путём прокалки (пиролиза) этих компонентов в атмосфере азота они превратили МОФ в частицы оксида железа на «азот‑допированном» углероде и преобразовали полианилин в пористую проводящую углеродную сеть, сохраняющую атомы азота. При объединении этих компонентов получался композит, в котором наночастицы оксида железа равномерно распределены по углеродно‑полимерному каркасу, обеспечивая большую удельную поверхность и множество активных центров для хранения заряда.

Как изготовлен новый материал

Для создания этого композита команда сначала синтезировала два типа железосодержащих МОФ (MIL‑101(Fe) и модифицированную аминосодержащую версию) и отдельные структуры полианилина. Затем они связали аминосодержащий МОФ с полианилином и нагрели смесь при 500 °C в азотной атмосфере. Этот процесс разрушает исходный каркас и полимер, формируя более прочную структуру: крошечные частицы оксида железа якорятся на углеродной матрице, обогащённой азотом как из МОФ, так и из полианилина. Путём регулирования доли МОФ в смеси с полианилином (10%, 20% или 30% по массе) они настраивали итоговую архитектуру. Микроскопия, рентгеновская дифракция, спектроскопия Рамана и поверхностно‑чувствительные методы подтвердили, что смесь с 20% даёт однородную наносетчатую структуру, с равномерным распределением железа, углерода, азота и кислорода по всему материалу.

От структуры к характеристикам

Главным испытанием было поведение этих материалов в водных суперконденсаторах. Исследователи наносили разные версии композита на графитовые пластины и изучали их в растворе сульфата лития. Циклическая вольтамперометрия и тесты заряда‑разряда показали, что все азотсодержащие образцы в основном ведут себя как быстро заряжающиеся электростатические конденсаторы, с дополнительным вкладом от поверхностных реакций на участках с железом и азотом. Выдающаяся композиция, содержащая 20% железосодержащего каркаса (обозначенная 20FNC@P‑PANI), обеспечивала удельную ёмкость примерно 634 фарада на грамм при умеренном токе — показатель того, сколько заряда можно хранить на единицу массы. Это в несколько раз превышало характеристики электродов, полученных только из железосодержащего углерода или только из углерода, полученного из полианилина. Улучшение объясняется сочетанием большой удельной поверхности, эффективных электрических путей и азотных «допантов», которые повышают проводимость и создают дополнительные места для хранения ионов.

От одиночного электрода к рабочему прибору

Чтобы показать реальную применимость, команда собрала полный симметричный суперконденсатор, используя один и тот же композит с обеих сторон устройства, разделённый простой фильтровальной бумагой, пропитанной электролитом. Даже при таком упрощённом дизайне устройство устойчиво работало в относительно широком оконце напряжения в воде и демонстрировало плотности энергии и мощности, сопоставимые или превосходящие многие ранее описанные системы на основе оксида железа и полианилина. Оно могло выдавать около 48 ватт-часов на килограмм при мощности примерно 790 ватт на килограмм и при этом сохраняло полезную энергию и при значительно более высокой мощности. Наиболее впечатляющем, что после 10 000 быстрых циклов заряда‑разряда на высоком токе устройство сохранило более 95% первоначальной ёмкости, что указывает на высокую долговечность.

Что это значит для будущих устройств

Проще говоря, работа показывает, что аккуратное сочетание железосодержащих пористых кристаллов с проводящим полимером — с последующим термическим превращением их в единую углеродно‑оксидную сеть — может дать электроды для суперконденсаторов, которые быстро заряжаются, аккумулируют значительный объём энергии и служат очень долго. Поскольку материалы основаны на доступных элементах, таких как железо, углерод и азот, и используют водный электролит, они также указывают на более экологичные подходы к хранению энергии. Хотя до коммерческого применения потребуются дальнейшие инженерные доработки, исследование обозначает перспективный путь к созданию быстрых, надёжных и масштабируемых систем хранения энергии для электромобилей, портативной электроники и широкой интеграции возобновляемых источников энергии.

Цитирование: El-Ashry, A.A., El-Gendy, D.M., Adly, M.S. et al. Iron oxide decorated nitrogen doped carbon derived from iron MOFs and polyaniline as binder free electrode for symmetric supercapacitors. Sci Rep 16, 8615 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39173-4

Ключевые слова: суперконденсаторы, накопление энергии, нанокомпозиты, полианилин, металло‑органические каркасы