popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 200017, nr raportu: 6983. Kierownik (z rap.): mgr inż. Mikołaj Franciszek Meller
Zetknięcie się dwóch różnych faz (elektroda/roztwór elektrolitu) powoduje rozdzielenie na ich
granicy ładunków elektrycznych w przypadku, gdy elektroda jest naładowana. Tym samym, do powierzchni
naładowanej elektrody przyciągane są ładunki z wnętrza roztworu elektrolitu, ale przeciwnego znaku. Takie
rozdzielenie ładunków nosi nazwę podwójnej warstwy elektrycznej. Ponieważ zakumulowane na
wspomnianej granicy ładunki elektryczne pozwalają na uzyskanie energii w trakcie procesu wyładowania tej
warstwy postanowiono zbadać ją pod względem pojemnościowego zachowania. Zjawisko powstawania
podwójnej warstwy elektrycznej jest podstawą działania kondensatorów elektrochemicznych, które cechują
się bardzo dużą pojemnością i gęstością mocy, czyli energią uzyskaną w bardzo krótkim czasie. Dzięki temu
sprawdzają się wszędzie tam gdzie wymagany jest pobór dużego piku mocy, co stanowi całkowite
przeciwieństwo do typowych ogniw galwanicznych, takich jak np. ogniwa litowo-jonowe czy niklowowodorkowe. Należy również podkreślić, że ładowanie i wyładowanie podwójnej warstwy elektrycznej jest
procesem czysto elektrostatycznym, co sprawia, że kondensatory elektrochemiczne wykazują niezwykle
wysoką trwałość cykliczną (nawet rzędu milionów cykli), z kolei proces ich ładowania/wyładowania trwa
zaledwie kilka sekund. Jednakże, aby uzyskiwane wartości pojemności były możliwie jak największe,
konieczne jest zastosowanie węgli aktywnych w roli materiału elektrodowego, ponieważ ich rozwinięta
powierzchnia właściwa (osiągająca nawet 2500 m2 g-1) pozwala na zgromadzenie nieporównywalnie
większej ilości ładunku niż w przypadku płaskich elektrod metalicznych.
Niestety, kondensatory elektrochemiczne nadal nie są w stanie dostarczać odpowiednio dużych
gęstości energii. W związku z tym, w celu jej zwiększenia zaproponowana została koncepcja zastosowania
elektrolitów aktywnych elektrochemicznie (tzw. elektrolitów redoks), dzięki którym możliwe staje się
dostarczenie dodatkowego ładunku do układu w trakcie jego pracy elektrochemicznej. W ten sposób użyte
zostały wodne roztwory hydroksybenzenów o różnej lokalizacji grupy OH, wykazujące zdolność do
odwracalnej reakcji faradajowskiej (z udziałem elektronu) w obrębie pary redoks chinon-hydrochinon.
Należy przy tym zaznaczyć, że oprócz dodatkowego ładunku (tzw. pseudopojemności) uzyskiwanego z tej
reakcji możliwe jest również wzbogacenie materiału elektrodowego w tlenowe grupy funkcyjne w procesie
tzw. graftingu, które także mogą być odpowiedzialne za dostarczenie dodatkowego ładunku.
Zgodnie z powyższym zbadany został wpływ poszczególnych hydroksybenzenów na pojemność
kondensatora elektrochemicznego. Tym samym, jako dodatki do elektrolitów podstawowych zastosowano
odpowiednio 1,2-dihydroksybenzen (katechol), 1,3-dihydroksybenzen (rezorcynol), 1,4-dihydroksybenzen
(hydrochinon) oraz 1,2,3-trihydroksybenzen (pirogalol) i 1,3,5-trihydroksybenzen (floroglucyna). Ponieważ
aktywność elektrochemiczna tych związków jest ściśle związana z rodzajem elektrolitu podstawowego,
który posłużył jako ich rozpuszczalnik, analiza została przeprowadzona w roztworach elektrolitów o różnym
pH, a mianowicie w 1 mol L-1 H2SO4, 6 mol L-1 KOH oraz 5 mol L-1 LiNO3. Największe wartości
pojemności uzyskano w wyniku zastosowania jako elektrolitu 0,38 mol L-1 roztworu hydrochinonu (1,4dihydroksybenzenu) w 1 mol L-1 H2SO4. Jest to znacznie wyższa wartość niż w przypadku roztworu
1 mol L-1 H2SO4 niezawierającego hydrochinonu oraz w porównaniu z roztworami zawierającymi pozostałe
pochodne hydroksybenzenów. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że największą aktywność elektrochemiczną
hydrochinonu zaobserwować można w środowisku kwaśnym ze względu na nadmiar obecnych tam
protonów, które biorą udział w reakcji wymiany elektronu. W przypadku zastosowania roztworu o pH
alkalicznym (6 mol L-1 KOH) jako rozpuszczalnika dla 1,4-dihydroksybenzenu, pojemność kondensatora
okazała się wyższa niż dla niemodyfikowanego roztworu wodorotlenku potasu, ale nadal niższa niż w
przypadku zastosowania środowiska kwaśnego z dodatkiem hydrochinonu. Z kolei w środowisku obojętnym
aktywność hydrochinonu nie została zaobserwowana – charakterystyka kondensatora jest identyczna z tą dla
kondensatora operującego wyłącznie w roztworze 5 mol L-1 LiNO3. Dzięki polepszeniu takich parametrów
jak pojemność i energia, bardziej realna staje się możliwość wykorzystania kondensatorów wszędzie tam,
gdzie do tej pory sprawdzały się jedynie ogniwa elektrochemiczne.
Dodatkowo, oprócz określenia wpływu hydroksybenzenów na pojemność układu kolejnym celem
projektu było zbadanie czy na pewno dochodzi do wytworzenia (zaszczepienia) na powierzchni materiału
elektrodowego elektroaktywnych grup funkcyjnych o charakterze chinon-hydrochinon. Dokonano tego przy
wykorzystaniu kilku metod badawczych, takich jak spektroskopia Ramanowska, miareczkowanie
potencjometryczne oraz termoprogramowana desorpcja (TPD) wraz ze spektrometrią mas. Pozwoliły one na
dokładniejsze poznanie zjawiska pseudopojemności w kondensatorze elektrochemicznym, które pozwala na
zwiększenie jego pojemności i energii. Z naukowego punktu widzenia, uzyskane w trakcie realizacji projektu
wyniki pozwolą rozwinąć nowatorską koncepcję opartą na zastosowaniu elektrolitów wykazujących
aktywność redoks, stanowiących dodatkowe źródło pojemności. Z kolei różnorodność aplikacyjna
superkondensatorów stanowi silny argument za tym, że wszelkiego rodzaju badania nad ich udoskonaleniem
są jak najbardziej zasadne.