Functionalization of carbon nanoshells and its influence on the characteristics of supercapacitors

Authors

  • Алексей Владимирович Сосунов (Alexei V. Sosunov) Perm State University
  • Оксана Рифовна Семенова (Oksana R. Semenova) Perm State University
  • Гамини Суманасекера (Gamini U. Sumanasekera) University of Louisville, KY

DOI:

https://doi.org/10.17072/1994-3598-2020-2-57-64

Keywords:

суперконденсатор, углеродные нанооболочки, функционализация, электрохимические характеристики, удельная емкость, псевдоемкость

Abstract

In this work, we studied the electrochemical characteristics of carbon nanoshells functionalized in a fluorine radio-frequency plasma. During functionalization, the concentration of attached fluorine heteroatoms on the surface of carbon nanoshells increases. The specific capacitance of supercapacitors increases at 20% after small fluorination (CFx, x=0.05) of materials compared to pristine samples (130 F/g at a current density of 1 A/g with 3% degradation after 1000 charge/discharge cycles) due to pseudocapacitance. However, increase in the fluorination time of materials lead to pore blocking with a corresponding decrease in the capacitive properties of supercapacitors to 30 F/g after 30 hours.

Author Biographies

Алексей Владимирович Сосунов (Alexei V. Sosunov), Perm State University

инженер кафедры нанотехнологий и микросистемной техники

Оксана Рифовна Семенова (Oksana R. Semenova), Perm State University

доцент кафедры нанотехнологий и микросистемной техники

References

Yu G., Xie X., Pan L., Bao Z. et al. Hybrid nanostructured materials for high-performance electrochemical capacitors. Nano Energy. 2013, vol. 2, pp. 213–234. DOI: 10.1016/j.nanoen.2012.10.006

Chen X., Paul R., Dai L. Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage. Natl. Sci. Rev. 2017, vol. 4, p. 453–489. DOI: 10.1093/nsr/nwx009

Simon P., Gogots Y. Materials for electrochemical capacitors. Nature. 2008, vol. 7, pp.845–854. DOI: 10.1038/nmat2297.

Bakandritsos A., Jakubec P., Pykal M., Otyepka M. Covalently functionalized graphene as a supercapacitor electrode material. Flat Chem. 2019, vol. 13, pp. 25–33. DOI: 10.1016/j.flatc.2018.12.004

Tabarov F. S., Astakhov M. V., Kalashnik A. T. et al. Micro-mesoporous carbon materials prepared from the hogweed (Heracleum) stalks as electrode materials for supercapacitors. Russ. J. Electrochem. 2019, vol. 55, pp. 265–271. DOI: 10.1134/S1023193519020125

Wang G., Zhang L., Zhang J. A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors. Chem. Soc. Rev. 2012, vol. 41, pp. 797–828. DOI: 10.1039/c1cs15060j.

Lin T., Chen I.W., Liu F., Yang C. et al. Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinary capacitance for electrochemical energy storage. Science. 2015, vol. 350, pp. 1508–1513. DOI: 10.1126/science.aab3798.

Sha R., Badhulika S. Binder free platinum nano-particles decorated graphene-polyaniline composite film for high performance supercapacitor application. Electrochem. Acta. 2017, vol. 251, pp. 505-512. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.08.140

An N., Hu Z., Wu H., Yang Y. et al. Organic multi-electron redox couple-induced functionalization for enabling ultrahigh rate and cycling performances of supercapacitors. J. Mater. Chem. A. 2017, vol. 5, pp. 25420–25430. DOI: 10.1039/C7TA07389E

Guo H., Gao Q. J. Boron and nitrogen Co-doped porous carbon and its enhanced properties as supercapacitor. J. Power Sources. 2009, vol. 186, pp. 551-556. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.024

Zhao J., Jiang Y., Fan H., Liu M., et al. Porous 3D few-layer graphene-like carbon for ultra-high-power supercapacitors with well-defined structure-performance relationship. Adv. Mater. 2017, vol. 29, 1604569. DOI: 10.1002/adma.201604569

Wang B., Wang J., Zhu J. Fluorination of graphene: a spectroscopic and microscopic study. ACS Nano. 2014, vol. 8, pp. 1862–1870. DOI: 10.1021/nn406333f

Zhang W., Spinelle L., Dubois M. et. al. New synthesis methods for fluorinated carbon nano-fibers and applications. J. Fluorine. Chem. 2010, vol. 131, pp. 676–683. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2010.02.007

Jung M-J., Jeong E., Kim S. et. al. Fluorination effect of activated carbon electrodes on the electrochemical performance of electric double layer capacitor. J. Fluorine. Chem. 2011, vol. 132, pp. 1127–1133. DOI: 10.1016/j.jfluchem.2011.06.046

Bahugana G., Chaudhary S., Sharma R. K., Gupta R. Electrophilic. fluorination of graphitic carbon for enhancement in electric double‐layer capacitance. Energy Tech. 2019, vol. 7, 1900667. DOI: 10.1002/ente.201900667

Rudakov G. A., Sosunov A. V., Ponomarev R. S., Henner V. K. et al. Synthesis of hollow carbon nanoshells and their application for su-percapacitors. Physics of the Solid State. 2018, vol. 60, pp. 167–172. DOI: 10.1134/S1063783418010213

Sosunov A. V., Tsiberkin K. B., Henner V. K. The effect of functionalization of carbon nanoshells on their electrical properties. Bulletin of Perm University. Physics, 2019, no. 2, pp. 63–68. DOI: 10.17072/1994-3598-2019-2-63-68

Lei Z., Zhang J., Zhang L. L., Kumar N. A. et al. Functionalization of chemically derived graphene for improving its electrocapacitive ener-gy storage properties. Energy Environ. Sci. 2016, vol. 9, pp. 1891–1930. DOI: 10.1039/C6EE00158K

Ziolkowska D. A., Jangam J. S. D., Rudakov G., Paronyan T. M. et al. Simple synthesis of highly uniform bilayer-carbon nanocages. Carbon. 2017, vol. 115, p. 617–624. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.01.055

Wagner C. D., Davis L. E., Zeller M. V., Taylor J. A. et al. Empirical atomic sensitivity factors for quantitative analysis by electron spec-troscopy for chemical analysis. Surface and Interface Analysis. 1981, vol 3, pp. 211–225. DOI: 10.1002/sia.740030506

Krestinin A. V., Kharitonov A. P., Shul'ga Yu. M., Zhigalina O. M. et. al. Fabrication and characterization of fluorinated single-walled carbon nanotubes. Nanotechnologies in Russia. 2009, vol. 4. pp. 60–78. DOI: 10.1134/S1995078009010078

Downloads

Published

2020-07-13

How to Cite

Сосунов (Alexei V. Sosunov) А. В., Семенова (Oksana R. Semenova) О. Р., & Суманасекера (Gamini U. Sumanasekera) Г. (2020). Functionalization of carbon nanoshells and its influence on the characteristics of supercapacitors. Bulletin of Perm University. Physics, (2). https://doi.org/10.17072/1994-3598-2020-2-57-64

Issue

No. 2 (2020)

Section

Regular articles

License

Автор предоставляет Издателю журнала (Пермский государственный национальный исследовательский университет) право на использование его статьи в составе журнала, а также на включение текста аннотации, полного текста статьи и информации об авторах в систему «Российский индекс научного цитирования» (РИНЦ).

Автор даёт своё согласие на обработку персональных данных.

Право использования журнала в целом в соответствии с п. 7 ст. 1260 ГК РФ принадлежит Издателю журнала и действует бессрочно на территории Российской Федерации и за её пределами.

Авторское вознаграждение за предоставление автором Издателю указанных выше прав не выплачивается.

Автор включённой в журнал статьи сохраняет исключительное право на неё независимо от права Издателя на использование журнала в целом.

Направление автором статьи в журнал означает его согласие на использование статьи Издателем на указанных выше условиях, на включение статьи в систему РИНЦ, и свидетельствует, что он осведомлён об условиях её использования. В качестве такого согласия рассматривается также направляемая в редакцию справка об авторе, в том числе по электронной почте.

Редакция размещает полный текст статьи на сайте Пермского государственного национального исследовательского университета: http://www.psu.ru и в системе OJS на сайте http://press.psu.ru

Плата за публикацию рукописей не взимается. Гонорар за публикации не выплачивается. Авторский экземпляр высылается автору по указанному им адресу.