CC BY
0DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -324-326
АКТИВАЦИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА МЕТОДОМ БЫСТРОГО ДЖОУЛЕВА НАГРЕВА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СУПЕРКОНДЕНСАТОРАХ
Лоскин Н.Н.1, Прокопьев А.Р.1, Попов Д.Н.1, Васильев П.Ф.2
1 Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова», г. Якутск
2 ИФТПС СО РАН, г. Якутск
В данной работе рассматривается метод активации углеродного наноматериала. В качестве материала был выбран аэрогель из оксида графена. Методом активации является быстрый джоулев нагрев в собранной лабораторной установке теплового удара. Активированные материалы были исследованы методами комбинационного рассеяния света, сканирующей электронной микроскопии с элементным анализом и Брунауэра-Эммета-Теллера для оценки удельной площади поверхности. Результаты исследований показали, что тепловой удар способствует проявлению пиков D и G, характерных для графенсодержащих материалов в спектре комбинационного рассеяния света и увеличению удельной площади поверхности материала, за счет сформирования микропористой структуры, что было подтверждено методом сканирующего электронного микроскопа. Также было обнаружено, что после процесса активации значительно снижается концентрация кислородных групп. Предлагаемый метод активации быстрым джоулевым нагревом имеет перспективу в области изготовления электродов для суперконденсаторов.
Введение. В настоящее время, многими исследователями широко изучаются свойства и сферы применения углеродных наноматериалов (УНМ). УНМ включают в себя различные аллотропные модификации углерода, такие как графен, оксид графена, углеродные нанотрубки и нановолокна. Каждый из этих аллотропов имеет свои уникальные характеристики, электропроводности и теплопроводности, а также механической прочности, что обусловлено их структурными особенностями. Графен представляет собой двумерную структуру, состоящую из гексагональной решетки атомов углерода [1]. Графен и его производные обладают большим потенциалом для применения в различных областях, включая электронику, энергетику, композитные материалы и т. д. Аэрогель сделанный из оксида графена (ОГ) имеет перспективу применения в качестве электродов в суперконденсаторах, за счет высокой удельной площадью поверхности. Для этого в начале получают ОГ модифицированным методом Хаммерса в виде суспензии. Далее суспензию ОГ подвергают лиофилизации для получения аэрогеля [2].
Для увеличения удельной площади поверхности УНМ, существуют различные способы активации, такие как физические и химические [3]. В последнее время активно изучаются методы активации с использованием быстрого джоулева нагрева (БДН). Согласно данным, представленным в работе [4], увеличение удельной поверхности способствует улучшению электрохимических характеристик обработанного материала. Однако исследования активации углеродных материалов с помощью БДН остаются недостаточно изученными. Таким образом, цель данной работы заключается в активации углеродного материала и исследовании полученных пористых углеродных материалов методом БДН.
Объекты и методы исследования. Активация ОГ была проведена на собранной установке теплового удара. Установка представляет собой лабораторный макет с конденсаторной батареей емкостью 180 мФ с блоком управления для регулирования количества конденсаторов и с вакуумной камерой. Аэрогели ОГ были зафиксированы двумя электродами. БДН был проведен в диапазоне напряжений 100 - 220 В и емкости 36 мФ в потоке азота.
Полученные образцы были исследованы методами рамановской спектроскопии (КРС) (NT-MDT NTegra Spectra, Россия), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) (JEOL 7800F, Япония), рентгеновским энергодисперсионным анализатором (РЭДС) (Oxford
Instruments, Великобритания). Удельная площадь поверхности была определена методом Бру-науэра-Эммета-Теллера (БЭТ) (Quantachrome NOVAtouch LX, США).
Результаты и обсуждения. Активация ОГ при напряжениях ниже 200 В показало, что в спектрах КРС наблюдались незначительные изменения от исходного материала. Спектры КРС исходного и активированного ОГ при значении напряжения 200 В представлены на рисунке 1. В спектре после БДН отчетливо проявляются пики D и G, локализованные в областях частот 1330 см-1 и 1558 см-1, соответственно. Также, в спектрах КРС наблюдается увеличение интенсивности 2D-пика, локализованный в области 2700 см-1. Данный пик относится к восстановленным графеновым структурам.
Рис. 1. Спектры КРС исходного ОГ и после процесса БДН
а) б)
Рис. 2. Поверхность ОГ при напряжении 200 В: а) Исходный, б) После активации
На рисунке 2 показаны фотографические изображения поверхности аэрогелей ОГ, полученные на СЭМ. Как видно из рисунка, после БДН при 200 В формируется микропористая структура у аэрогеля ОГ.
Также из рисунка 3 следует, что процесс БДН способствует уменьшению кислородных групп. Соотношение атомов углерода к кислороду составляет 9:1.
Спектр 1
L
0 0.5 1 1.5 Полная шкала 223 имп. Курсор: 0.000 I ! I ! | ! | 1 | 2 ...... 1 | 1 | 2. Б ........... 3 кзВ
Рис. 3. Энергодисперсионный анализ активированного аэрогеля ОГ
Удельная площадь поверхности была определена методом БЭТ. У исходного аэрогеля ОГ удельная площадь составляет 178,1 м2/г. После активации удельная площадь увеличилась до 363 м2/г. Следовательно, БДН способствовал увеличению в 2 раза. При дальнейшем увеличении напряжения теплового удара наблюдается ухудшение результатов (Табл. 1).
Таблица 1. Результаты измерения удельной площади поверхности ОГ
Образцы S№ м2/г
Аэрогель ОГ исх 178,1
Аэрогель ОГ 100 В 278,2
Аэрогель ОГ 140 В 313,3
Аэрогель ОГ 200 В 363,0
Аэрогель ОГ 220 В 260,5
Заключение. В работе представлен метод активации аэрогелей из оксида графена быстрым джоулевым нагревом. В спектрах КРС проявляются характерные для графенсодер-жащих материалов основные пики D и G, а также наблюдается увеличение интенсивности пика 2D. Из исследований СЭМ-изображений следует, что образуются микропористые структуры после быстрого джоулева нагрева. Кроме того, тепловой удар при значении напряжения 200 В значительно уменьшает содержание кислородных групп. Соотношение атомов углерода к кислороду составило 9:1. Из данных БЭТ следует, что удельная площадь активированного материала, увеличивается более чем в два раза по сравнению с исходным при разряде 200 В. В то же время, дальнейшее повышение напряжения процесса активации способствует деградации удельной площади поверхности материала. Проведенный метод активации в дальнейшем имеет перспективу в области создания графеновых электродов для суперконденсаторов.
Исследование выполнено при Федеральной программе Министерства науки и образования РФ в рамках проекта FSRG-2022-0011.
Литература
1. Xie P. et al. Advanced carbon nanomaterials for state-of-the-art flexible supercapacitors //Energy Storage Materials. 2021. Vol. 36. P. 56-76.
2. Korkmaz S., Kariper i. A. Graphene and graphene oxide based aerogels: Synthesis, characteristics and supercapacitor applications //Journal of Energy Storage. 2020. Vol. 27. P. 101038.
3. Methods for preparation and activation of activated carbon: a review / Z. Heidarinejad [et al.] //Environmental Chemistry Letters. 2020. Vol. 18. P. 393-415.
4. Rapid joule-heating activation boosted capacitive performance of carbon fibers / Y. Zhao [et al.] //Composites Communications. 2022. Vol. 34. P. 101263.
