Разработан фильтровый конденсатор на основе углеродных нанотрубок

Ученые разработали конденсатор с двойным электрическим слоем на основе структуры из углеродных нанотрубок. Он может быть использован как фильтровый конденсатор в электрических цепях, что позволит уменьшить электронные устройства. Исследование опубликовано в журнале Science.

Для работы электронных устройств необходимо переводить переменный ток в постоянный. Для этого используются фильтровые конденсаторы, которые улучшают качество сигнала в таких устройствах. Сейчас широко используются электролитные конденсаторы на основе алюминия. Тем не менее, они всегда являются одними из наиболее крупных компонентов в схеме из-за того, что у них низкая объемная электроемкость. Это сильно ограничивает разработку портативной электроники. В качестве альтернативы можно использовать конденсаторы с двойным электрическим слоем, в которых в качестве электродов, как правило, используются углеродные материалы. Недостатком таких конденсаторов является низкая частота работы (около 1 Гц). Ее можно повысить, если использовать в качестве электродов высокоориентированные материалы. Тем не менее, для этой цели не подходят листы графена или соприкасающиеся между собой углеродные нанотрубки. Поэтому ученые пытаются разработать новые структурированные материалы, которые способны улучшить частотные характеристики конденсатора и в то же время имеют высокую удельную емкость.

Китайские исследователи работали над разработкой подобного материала с 2015 года. В результате у них вышло получить массив 3D-структурированных углеродных нанотрубок, которые связаны между собой посредством химических связей. Этот материал высокоориентированный, обладает хорошей стабильностью и электропроводностью, имеет пористую структуру. Чтобы его получить, ученые сначала разработали шаблон. Для этого они электролитически окислили алюминиевую пластинку, содержащую примеси меди. В результате они получили пористый анодированный оксид алюминия, на стенках пор которого находились медные наночастицы. 3D-структура из углеродных нанотрубок была синтезирована методом химического осаждения из газовой фазы на алюминиевый шаблон. Затем исследователи использовали эти углеродные структуры в качестве электродов и собрали симметричные конденсаторы с двойным слоем. Они обладали хорошей частотной характеристикой, низким сопротивлением, их фазовый угол был меньше -80°, высокой удельной электроемкостью.

Чтобы добиться высокого рабочего напряжения, ученые последовательно соединили шесть таких конденсаторов. Они также показали хорошую частотную характеристику и успешно функционировали как фильтровые конденсаторы. Кроме того, ученые показали, что конденсаторы с двойным слоем на основе 3D-структур из углеродных нанотрубок объемные преимущества перед электролитическими конденсаторами на основе алюминия при низком напряжении (ниже 25 В).

Результаты исследования позволят уменьшить фильтровые конденсаторы, что поспособствует минитюаризации электронных устройств. Это поможет в разработке более эффективных цифровых схем, новых электронных технологий, Интернета вещей.