CC BY
80
_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 4
УДК 66.086.4
С. И. Иванов, П. Ю. Цыганков*, И. И. Худеев, Н. В. Меньшутина
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: pauchemy@gmail.com
МАТЕРИАЛА «ДИОКСИД КРЕМНИЯ
СОЗДАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ»
Аннотация
Разработаны способы получения функционального материала «диоксид кремния - многослойные углеродные нанотрубки». Получен ряд образцов аэрогелей с внедрёнными нанотрубками. Рассмотрены два принципиально разных подхода к их внедрению. Получены первые аналитические данные. Структура аэрогеля была охарактеризована с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Ключевые слова: неорганические аэрогели, углеродные нанотрубки, суперконденсаторы.
Аэрогели были впервые получены в 1932 году и на данный момент являются очень перспективным материалом для сохранения энергии. Уникальные свойства аэрогелей, такие как высокая площадь удельной поверхности, узкое распределение пор по размерам, низкий коэффициент теплопроводности и высокая сорбционная ёмкость продолжают делать эти материалы привлекательными для учёных из широкого круга дисциплин [1].
В настоящее время актуальной задачей является создание новых типов накопителей энергии, обладающих большой электрической ёмкостью. Основная проблема современных накопителей заключается в низком значении отношения электрической ёмкости к весу самого накопителя. В данной работе будет рассмотрен процесс внедрения углеродных нанотрубок в неорганические аэрогели для дальнейшего использования их в качестве суперконденсаторов.
Неорганические аэрогели стабильны при различных значениях рН и выдерживают широкий диапазон температур, также они вызывают интерес в качестве потенциальных электродных материалов из-за их большой площади поверхности и низкой теплопроводности. Для создания композитов использовалась стандартная методика получения кремниевых монолитов на основе тэтроэтоксисилана (ТЭОС) [2]. Золь получают на основе ТЭОС, процесс гидролиза инициирует раствор лимонной кислоты в воде, в роли растворителя берётся изопропанол.
Углеродные нанотрубки имеют высокую площадь удельной поверхности (до 1500 м2/г) и могут использоваться для накопления энергии. Проблемой использования углеродных нанотрубок в этой области является относительная сложность структурирования нанотрубок таким образом, чтобы все они были замкнуты между собой и могли быть представлены в виде единой обкладки конденсатора.
В данной статье предлагается два подхода с использованием неорганического аэрогеля на основе диоксида кремния, с помощью которых можно решить задачу структуризации и фиксации углеродных нанотрубок в заданном положении.
Неорганический аэрогель выступает в качестве диэлектрика между проводящими нанотрубками и в роли «жёсткой» структуры, которая удерживает нанотрубки в заданном положении. Кроме того, за счёт высокой пористости и низкой плотности аэрогеля, новый функциональный материал получается лёгким, что увеличивает значение отношения электрической ёмкости к весу материала.
Первый подход заключается во внедрении углеродных нанотрубок на стадии получения золя. Это достигается добавлением суспензии углеродных нанотрубок (НТ) в изопропиловом спирте с добавлением поверхностно активного вещества (ПАВ) в золь. После этого золь помещается в магнитное поле, создаваемое соленоидом (обеспечение прямых линий магнитного поля). При действии магнитного поля происходит процесс гелеобразования, что позволяет зафиксировать углеродные нанотрубки в заданном положении. После проводится процесс старения гелей и их последующая сверхкритическая сушка (СКС) (рис. 1.).
Известно также, что параллельно ориентированные углеродные нанотрубки в виде «леса» вырастают на поверхности плоских подложек, на которые нанесён тонкий слой катализатора, как раз на этом основан второй подход по созданию функциональных материалов [3]. Второй подход заключается во внедрении ионов кобальта и молибдена (центров роста углеродных нанотрубок) в аэрогель с последующим проращиванием углеродных нанотрубок в порах аэрогеля. Ионы молибдена внедряются на этапе получения геля, так как молибден образует растворимое соединение с 0,5 М раствором гидроксида аммония - гелирующим агентом. В свою очередь ионы кобальта внедряются после процесса гелеобразования, выдерживанием гелей в растворе нитрата кобальта в изопропиловом спирте в течение 96 часов. На рисунке 2 представлен весь процесс. После образцы загружаются в специальный реактор, где проходит процесс производства углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза углеводородов.
+НТ.+ПАВ
°0° ООО С^о О И К
*
скс
Золь Гель Аэрогель
Гелированиев магнитном поле
Рис. 1. Схема получения функциональных материалов с добавлением нанотрубок на стадии золя
+МН3,+ Мо6+
+ Со2+
скс
о
Золь Гель Процесс старения
(96 часов)
Рис. 2. Схема внедрения центров роста углеродных нанотрубок в структуру геля
Магнитное поле, используемое в первом подходе, создаётся с помощью соленоида собственной конструкции (рис. 3). Соленоид - это катушка индуктивности в виде намотанного на цилиндрическую поверхность изолированного проводника, по которому течёт электрический ток. Электрический ток в обмотке создаёт в окружающем пространстве магнитное поле соленоида.
Аэрогель
Рис. 3. Соленоид
На рисунке 4 представлена фотография образцов функционального материала с добавлением нанотрубок на стадии золя, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Как видно, нанотрубки равномерно распределены по объёму и не спутываются в клубки.
Рис. 4. Снимок кремниевого аэрогеля с загрузкой
нанотрубок в 30% масс На рисунке 5 представлена фотография образцов функционального материала полученного по средствам внедрения центров роста углеродных нанотрубок в аэрогель. Достигается хорошее однородное распределение центров роста по объёму аэрогеля.
Рис. 5. Кристаллы солей кобальта и молибдена на поверхности аэрогеля
Разработанные способы внедрения углеродных Работа выполнена при финансовой
нанотрубок в кремниевые аэрогели позволяют поддержке Министерства образования и науки РФ в добиться равномерного распределения нанотрубок рамках соглашения № 14.574.21.0111. внутри аэрогеля. Полученные функциональные Исследования выполнены на оборудовании
материалы открывают широкие перспективы для Центра коллективного пользования имени Д. И. дальнейшего развития темы суперконденсаторов. Менделеева.
Иванов Святослав Игоревич, к.т.н., старший научный сотрудник МУНЦ трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Цыганков Павел Юрьевич, студент 5 курса факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Худеев Илларион Игоревич, студент 3 курса факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Меньшутина Наталья Васильевна, д.т.н., профессор кафедры Кибернетики химико-технологических процессов, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Ulker Z., Sanli D., Erkey C. Application of aerogels and their composites in energy-related technologies // Supercritical Fluid Technology for Energy and Enviromental Applications. - 2014. - Chapter 8. - P. 157-180.
2. Ловская Д.Д., Каталевич А.М., Лебедев А.Е. Аэрогели - современные системы доставки лекарств // Успехи в химии и химической технологии. - 2013. - Т. 27. № 1 (141). - С. 79-85.
3. Bronikowski M.J. CVD growth of carbon nanotube bundle arrays // Carbon. 2006. V. 44. P. 2822-2832.
Ivanov Svjatoslav Igorevich, Tsigankov Pavel Urievich*, Hudeev Illarion Igorevich, Menshutina Natalia Vasilievna
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: pauchemy@gmail.com
CREATING A COMPOSITE MATERIAL "SILICON DIOXIDE - CARBON NANOTUBES"
Abstract
Methods for producing a functional material "silicon dioxide - multiwall carbon nanotubes." A number of aerogels with embedded nanotubes obtained. We consider two fundamentally different approaches to their implementation. We obtained the first analytical data. The structure of aerogels was characterized by scanning electron microscopy (SEM).
Key words: inorganic aerogels, carbon nanotubes, supercapacitors.
