СИНТЕЗ И ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ

  • Alexander V. Shchegolkov Тамбовский государственный технический университет
  • Elena A. Burakova Тамбовский государственный технический университет
  • Tatyana P. Dyachkova Тамбовский государственный технический университет
  • Natalia V. Orlova Тамбовский государственный технический университет
  • Fadej F. Komarov Белорусский государственный университет
  • Mikhail S. Lipkin Южно-Российский государственный политехнический университет имени М.И. Платова
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, газофазное химическое осаждение, функционализация, электрохимические конденсаторы

Аннотация

Синтезированы углеродные нанотрубки (УНТ) на катализаторах состава Ni/MgO, Fe-Co/Al2O и Co-Mo/Al2O3-MgO с различным соотношением компонентов - посредством газофазного химического осаждения. Синтезированные УНТ отличаются по геометрическим параметрам, характеру включения примесей металлоксидного катализатора и морфологическим характеристикам. Для формирования на поверхности кислородсодержащих функциональных групп УНТ подвергнуты окислению озоново-кислородной смесью (1 об.% О3) при комнатной температуре в течение 5 ч. Исходные и функционализированные образцы УНТ охарактеризованы методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, ИК-спектроскопии. Показано, что в результате окисления происходит удаление аморфной фазы из материала, а на поверхности УНТ образуются кислородсодержащие группы –ОН, >С=O и –О–С–О–. Также при функционализации наблюдается незначительное снижение величины удельной поверхности исследованных образцов нанотрубок. Методом циклической вольтамперометрии изучено электрохимическое поведение исходных и функционализированных углеродных нанотрубок в щелочном электролите. Показано, что на основании анализа ЦВА-кривых УНТ можно разделить на две группы – с фарадеевским и нефарадеевским характером протекающих электродных процессов. Вклад нефарадеевской составляющей превалирует в случае использования в качестве электродных материалов углеродных нанотрубок, синтезированных на катализаторах состава Ni/MgO и Co-Mo/Al2O3-MgO. Окислительная функционализация УНТ данного типа является целесообразной и способствует улучшению и стабилизации емкостных свойств при циклировании. Отмечено также положительное влияние примесей металлоксидных катализаторов на свойства электродных материалов. Следовательно, окисление озоном является перспективным способом функционализации УНТ для последующего их применения в качестве электродных материалов суперконденсаторов.

Литература

Faraji S., Ani F.N. The development supercapacitor from activated carbon by electroless plating. Renew. Sustain. Energy Rev. 2015. V. 42. P. 823-834. DOI: 10.1016/j.rser.2014.10.068.

Jara A.D., Betemariam A., Woldetinsae G., Kim J.Y. Purification, application and current market trend of natural graphite – A review. Internat. J. Mining Sci. Technol. 2019. V. 29. P. 671-689. DOI: 10.1016/j.ijmst.2019.04.003.

Korkmaz S., Kariper A. Graphene and grapheme oxide based aerogels: Synthesis, characteristics and supercapacitor applications. J. Energy Storage. 2020. V. 27. P. 101038. DOI: 10.1016/j.est.2019.101038.

Lu S., Song Y., Guo K., Chen X., Хu J., Zhao L. Effect of aqueous electrolytes on thr electrochemical behavioirs of ordered mesoporous carbon composites after KOH activation as supercapacitor electrodes. J. Electroanalyt. Chem. 2018. V. 818. P. 58-67. DOI: 10.1016/j.jelechem.2018.04.025.

Sun L., Wang X., Wang Y., Zhang Q. Roles of carbon nanotubes in novel energy storage devices. Carbon. 2017. V. 122. P. 462-474. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.07.006.

Canelaria S.L., Shao Y., Zhou W., Li X., Хiao J., Zhang J.-G., Wang Y., Liu J., Li J., Cao G. Nanostructured car-bon for energy storage and conversion. Nano Energy. 2012. V. 1. P. 195-220. DOI: 10.1016/j.nanoen.2011.11.006.

Afif F., Rahman S.M.H., Azad A.T., Zaini J., Islan M.A., Azad A.K. Advanced materials and technologies for hybrid supercapacitors for energy storage. J. Energy Storage. 2019. V. 25. P. 100852. DOI: 10.1016/j.est.2019.100852.

Chung D.D.L. Development, design and applications of structural capacitors. Appl. Energy. 2018. V. 231. P. 89-101. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.09.132.

Seman R.N.A.R., Azam M.A., Mohamad A.A. Systematic gap analysis of carbon nanotube-based lithium-ion batteries and electrochemical capacitors. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017. V. 75. P. 644 -659. DOI: 10.1016/j.rser.2016.10.078.

Vicentini R., Nunes W.G., Da Costa L.H., Da Silva L.M., Frietas B., Pascon A.M., Vilas-Boas O., Zanin H. Multi-walled carbon nanotubes and activated carbon composite material as electrodes for electrochemical capacitors. J. Energy Storage. 2019. P. 100738. DOI: 10.1016/j.est.2019.04.012.

Vicentini R., Nunes W., Frietas B.G.A., Da Silva L.M., Soares D.M., Cesar R., Rodella C.B., Zanin H. Niobium pentoxide nanoparticles @ multi-walled carbon nanotubes and activated carbon composite material as electrodes for electrochemical capacitors. Energy Storage Mater. 2019. V. 22. P. 311-322. DOI: 10.1016/j.ensm.2019.08.007.

Dyachkova T.P., Anosova I.V., Tkachev A.G., Chapaksov N.A. Synthesis of composites from functionalized carbon nanotubes and polyaniline. Inorg. Mater.: Appl. Res. 2018.

V. 9(2). P. 305-310. DOI: 10.1134/S2075113318020089.

Ahirrao D.J., Jha N. Comparative study on the electrosorption properties of carbon fabric, functionalized multiwall carbon nanotubes and solar-reduced graphene oxide for flow through electrode based desalination studies. Carbon. 2019. V. 152. P. 837-850. DOI: 10.1016/j.carbon.2019.06.078.

Li M., Hsieh T.-C., Doong R.-A., Huang C.P. Tuning the adsorption capability of multi-walled carbon nanotubes to polar and non-polar organic compounds by surface oxidation. Separat. Purificat. Technol. 2013. V. 117. P. 98-103. DOI: 10.1016/j.seppur.2013.03.019.

Pandolfo A.G., Hollenkamp A.F. Carbon properties and their role in supercapacitors. J. Power Sources. 2006. V. 157. P. 11-27. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2006.02.065.

Lee S.-E., Jee S.S., Park H., Park S.-H., Han I., Mizusaki S. Large reduction in electrical contact resistance of flexible carbon nanotube/silicone rubber composites by trifluoroacetic acid treatment. Composite Sci. Technol. 2017. V. 143. P. 98-105. DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.03.004.

Shornikova O.N., Maksimova N.V., Avdeev V.V. Binders for polymer composite materials. M.: MGU. 2010. 52 p. (in Russian).

Beguin F. Carbons for electrochemicalenergy storage and conversional systems. Boca Raton: CRS Press. 2010. P. 518. DOI: 10.1201/9781420055405.

Zhang C., Xu Y., Du G., Wu Y., Li Y., Zhao H., Kaiser U., Lei Y. Oxygen-functionalized soft carbon nanofibers as high-performance cathode of K-ion hybrid capacitor. Nano Energy. 2020. V. 72. P. 104661. DOI: 10.1016/j.nanoen.2020. 104661.

Lehman J.H., Terrones M., Mansfield E., Hurst K., Meunier V. Evaluating the characteristics of multiwall carbon nanotubes. Carbon. 2011. V. 49. P. 2581-2602. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.03.028.

Blinov S.V., Tkachev A.G., Rukhov A.V. Research into Kinetics of the Process of Carbon Nanostructured Materials Synthesis. Vestn. Tambov. Gos. Tekhn. Un-ta. 2008. V. 14. P. 328-333 (in Russian).

Dyachkova T.P., Rukhov A.V., Tkachev A.G., Tugolukov E.N. Functionalization of carbon nanotubes: methods, mechanisms and technological realization. Adv. Mater. Technol. 2018. N 2. P. 18-41. DOI: 10.17277/amt.2018.02.pp.018-041.

Burakova E., Dyachkova T., Tkachev A., Tugolukov E., Memetov N., Galunin E., Gutnik I. Features of obtaining an effective catalyst for synthesis of carbon nanostructured materials. Fullerenes, Nanotubes Carbon Nanostr. 2020. V. 28. P. 348-352. DOI: 10.1080/1536383X.2019.1711062.

Chernyak S.A., Ivanov A.S., Maslakov K.I., Egorov A.V., Shen Z., Savilov S.V., Lunin V.V. Oxidation, defunctionalization and catalyst life cycle of carbon nanotubes: Raman spectroscopy view. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. P. 2275-2285. DOI: 10.1039/C6CP04657F.

Keszler A.M., Nemes L., Ahmad S.R., Fang X. Characterisation of carbon nanotube materials by Raman spec-troscopy and microscopy – A case sudy of multiwalled and singlewalled samples. J. Optoelectron. Adv. Mater. 2004. V. 6. Р. 1269–1274.

Saito R., Hofmann M., Dresselhaus G., Jorio A., Dresselhaus M.S. Raman Spectroscopy of graphene and carbon nanotubes. Adv. Phys. 2011. V. 60(3). P. 413–550. DOI: 10.1080/00018732.2011.582251.

Maslova O.A., Mikheikin A.S., Leontiev I.N., Yuzyuk Y.I., Tkachev A.G. Raman spectra of Taunit carbon nanomaterials. Nanotechnol. Russia. 2010. V. 5. P. 641–646. DOI: 10.1134/S1995078010090089.

Osswald S., Havel M., Gogotsi Y. Monitoring oxidation of multiwalled carbon nanotubes by Raman spectroscopy. J. Raman Spectrosc. 2007. V. 38. Р. 728. DOI: 10.1002/jrs.1686.

Dyachkova T.P., Khan Yu.A., Balybina N.N., Burakova E.A., Baranov A.A., Orlova N.V., Rukhov A.V. Study of Raman spectra of functionalized carbon nanotubes. Fund. Issl. 2015. N 9 (3). Р. 444 – 449 (in Russian).

Dyachkova T.P., Rukhov A.V., Tugolukov E.N., Usol'tseva N.V., Khan Yu.A., Chapaksov N.A.Studying of structural changes of graphene layers of carbon nanotubes functionalized by Raman spectroscopy. Liq. Cryst. and their Applicat. 2017. V. 17 (4). P. 83–89. DOI: 10.18083/LCAppl.2017.4.83.

Daifullah A.A.M., Girgis B.S. Impact of surface characteristics of activated carbon on adsorption of BTEX. Colloid. Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. V. 214. P. 181-193. DOI: 10.1016/S0927-7757(02)00392-8.

Rukhov A.V., Melezhyk A.V., Tugolukov E.N., Tkachev A.G. Some aspects of carbon nanotubes technology. Nanosystems: Phys. Chem. Mathem. 2013. V. 4(2). P. 247 – 259.

Ling X., Wei Y., Zou L., Xu S. The effect of different order of purification treatments on the purity ofmultiwalled carbon nanotubes. Appl. Surf. Sci. 2013. V. 276. P. 159-166. DOI: 10.1016/j.apsusc.2013.03.056.

Gordon A., Ford R. Sputnik of chemist. M.: Mir. 1976. 541 p. (in Russian).

Опубликован
2020-05-22
Как цитировать
Shchegolkov, A. V., Burakova, E. A., Dyachkova, T. P., Orlova, N. V., Komarov, F. F., & Lipkin, M. S. (2020). СИНТЕЗ И ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 63(7), 74-81. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20206307.6239
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы