CC BY
21
УДК 544.6.018.47
М. А. Гридин, А. В. Кузьмин*, Е. В. Юртов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9
* e-mail: andvas89@gmail.com
ВЛИЯНИЕ ХЛОРИДА НАТРИЯ НА ПРОВОДИМОСТЬ В ЛАМЕЛЛЯРНОЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЕ ДОДЕЦИЛБЕНЗОЛСУЛЬФОНАТА НАТРИЯ
Аннотация
В работе была исследована зависимость электропроводности в ламеллярной жидкокристаллической фазе додецилбензолсульфоната натрия в водессоставом 70 % мас. от содержания хлорида натрия в диапазоне до 10 % мас. последнего. Электропроводность менялась линейно от 5 до 30 мСм/см, при этом сохранялась ламеллярная жидкокристаллическая фаза.
Ключевые слова: ламеллярные ионные жидкие кристаллы; додецилбензолсульфонат натрия; хлорид натрия; электропроводность.
Создание новых материалов для различных источников тока, в частности электрохимических конденсаторов, направлены на улучшение двух основных характеристик - это плотность мощности или плотность энергии. А также некоторых других характеристик, связанных, например, с временем функционирования, предотвращением саморазряда и т.д. Кроме этого в целом к материалам предъявляются общие требования, такие как невысокая стоимость, а также экологическая и пожарная безопасность в случае разрушения устройства.
К электрохимическим конденсаторам, в силу их особенностей, обычно предъявляют повышенные требования к плотности мощности. Плотность мощности определяется по следующему соотношению:
£=и/4-К (1)
где Я - общее внутреннее сопротивление электрохимического конденсатора, и - рабочее напряжение. Таким образом, чтобы плотность мощности была наибольшей необходимо минимизировать сопротивление, соответственно увеличить проводимость электролита, который используется в электрохимическом конденсаторе.
Ранее уже были исследованы ионные лиотропные жидкие кристаллы на основе анионного поверхностно-активного вещества (ПАВ) -додецилбензолсульфоната натрия (КаБоВБ) [1] и некоторых других [2], в том числе и применение лиотропных жидких кристаллов в качестве электролита для получения никелевых покрытий [3,4]. Отличительной чертой жидкокристаллических систем на основе анионных ПАВ является наличие катиона, который изначально обуславливает электрическую проводимость системы. Однако не всегда проводимость ЖК является достаточной. Для экспериментов был выбран состав, соответствующий ламеллярной (Ьа) ЖК фазе с наибольшим содержанием водыи соответственно с минимальным содержанием ПАВ - 70 % мас. КаБоВБ. Ионная электрическая проводимость данного состава - 5 мСм/см. Это значение меньше чем электрическая
проводимость водных растворов солей, например 1 М раствора KCl с электрической проводимостью 111.8 мСм/см, что затрудняет использование его в электрохимических конденсаторах.
Одним из способов увеличения проводимости в ЖК фазе является введение дополнительной неорганической соли. Ввиду того, что свойства лиотропных ЖК очень сильно зависят от состава, то зачастую, добавление даже небольших количеств каких-либо веществ, может сильно сместить фазовое равновесие. Также при добавлении солей, содержащих другой катион, отличный от катиона ПАВ, может привести к тому, что ЖК фазы в данной системе при взятой концентрации и данной температуре не существует. В системе с NaDoBS у нас изначально имеются катионы Na+, которые и обуславливают лиотропное поведение[3]. Поэтому, в качестве неорганической соли был выбран хлорид натрия.
Кроме того, натриевые ЖК проводники перспективны с точки зрения применения не только в электрохимических конденсаторах, но и в натрий-ионных источниках тока, которые, как показывают последние исследования, уступают литий-ионным не значительно. Так же возможность тонко настраивать значение электропроводности, путем добавления определенного количества неорганических солей, в ряде случаевможет оказаться полезной.
В работе использовались следующие реактивы: NaDoBS >88% (Acres organics) и NaCl >99%. Все вещества использовались как есть. ЖК с составом 70 % мас. готовились путем добавления к сухой навеске NaDoBS соответствующего количества воды. Все составы с добавлением NaCl готовились путем добавления к начальному составу дополнительно NaCl в количестве до 10 % мас.
Приготовленные образцы исследовались с помощью поляризационного оптического
микроскопа AxiostarPlus (CarlZeiss,
Germany).Текстура видна только в поляризованном свете, что свидетельствует о наличии оптической анизотропии. Для каждой фазы ЖК при скрещенных
поляроидах видна своя характерная текстура. Пример текстуры Ьа ЖК приведен на Рис. 1.
Рис. 1 Фотография сделанная в поляризованном свете на поляризационном микроскопе Axiostar Plus (Carl Zeiss,
Germany) жидкокристаллической фазы L а состава NaDoBS 70 % мас. - NaCl 0.5 % мас.
Измерения электропроводности проводились методом импедансной спектроскопии на приборе «Элинс Z-500P» при нулевом потенциале по четырехэлектродной схеме с амплитудой сигнала 20 мВ, в интервале частот 500 кГц - 0.5 Гц. Проводимость образцов определялась по следующему соотношению: o=k/Rs, где k -геометрическая константа ячейки, Rs - сопротивление образца. Сопротивление R s определялось по пересечению высокочастотной полуокружности с осью активных сопротивлений (Re). Пример полученной зависимости импеданса представлены на Рис. 2.
Диаграмма Найквиста состоит из индуктивной части в области высоких частот, которая переходит в высокочастотную полуокружность. Центр полуокружности находится ниже оси активных сопротивлений. Полуокружность пересекает ось активных сопротивлений в двух точках, одна из которых Rs - сопротивление образца, из которого рассчитывалась электропроводность. Вторая точка пересечения в Rs+Rc, где R - сопротивление переносу заряда у поверхности электродов сравнения.
При добавлении NaCl вплоть до 10 % мас. сохраняется La ЖК фаза, наблюдается близкая к линейной зависимость электрической проводимости
от массового содержания хлорида натрия. Значение электропроводности увеличивается в 6 раз. В зависимости от состава проводимость находится в интервале 5-30 мСм/см. Таким образом, введение в ЖК неорганических солей может значительно увеличить их проводимость, что в ряде случаев положительно сказывается на характеристиках электрохимических источников тока.
7
Рис. 2 Диаграмма Найквиста для четырехэлектродной контактной схемы для состава 70 % мас. NаDoBS и 0.5 % мас. ШО.
35,0 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | зо.о г^ЕЕ^ЕЕ*
25,о -Е — ЕЕ=ЕЕ
20,0 -- : = = 2 — —————— ——————————
и
® 15,0 ■ — - 2 Е = в — р с:
5.0
0,0 | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I | I I I I :
0,00 2.00 4.00 6,00 8,00 10.00
NaCl, мас. %
Рис. 3 График зависимости электропроводности La ЖК NaDoBS от содержания NaCl.
Гридин Максим Анатольевич студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Кузьмин Андрей Васильевич ведущий инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Юртов Евгений Васильевич член-корр. РАН, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Kuzmin A.V. Electrical conductivity of lyotropic phases of dodecylbenzensulphonates with Li+, Na+ and K+ ions in water / A.V. Kuzmin, E.V. Yurtov // Liquid Crystals - 2015. Vol 42.
2. Matveeva, A. G. Electrical properties of liquid crystals based on potassium laurate/ A. G. Matveeva, E. V. Yurtov, L. A. Prokopova// Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2012. Vol 46. № 4. - P. 395400.
3. Ganesh, V. Preparation of high surface area nickel electrodeposit using a liquid crystal template technique / V. Ganesh, V. Lakshminarayanan // Electrochimica Acta. - 2004. Vol. 49. - P. 3561-3572.
4. Юртов, Е. В. Использование гексагонального жидкого кристалла в качестве темплата для получения наноструктурированных никелевых покрытий / Е. В. Юртов, А. Г. Матвеева, М. Т. Тодаева, А. А. Серцова // Химическая технология. - 2013. - Т. 14, № 1. - С. 24-29.
5. Sein, A. Lyotropic Phases of Dodecylbenzenesulfonates with Different Counterions in Water / A. Sein, J. B. F. N. Engberts // Langmuir. - 1996. Vol 12. №12. - P. 2913-23.
GridinMaksim Anatolievich, Kuzmin Andrey Vasilevich*, Yurtov Evgeny Vasilevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: andvas89@gmail.com
THE EFFECT OF SODIUM CHLORIDE ON CONDUCTIVITY LAMELLAR LIQUID CRYSTALLINE PHASE OF SODIUM DODECYLBENZENESULFONATE
The effect of sodium chloride on electrical conductivity of the lamellar liquid crystalline phase 70 wt% of sodium dodecylbenzenesulfonate in water was investigated. The content of sodium chloride was in the range of up to 10 wt%. The conductivity varies almost linearly from 5 to 30 mS/cm, while maintaining the lamellar liquid crystalline phase.
Key words: lamellarionic liquid crystals; dodecylbenzenesulfonate sodium,sodium chloride; electrical conductivity.
