Влияние пористой структуры матрицы на электрохимические свойства наноструктурированного электродного материала, содержащего в качестве наполнителя оксид кобальта (I, III)

Введение 4
1. Обзор литературы 5
1.1. Типы суперконденсаторов 5
1.1.1. Псевдоконденсаторы 5
1.1.2. Гибридные суперконденсаторы 6
1.1.3. Суперконденсаторы двойного слоя 7
1.2. Электродные материалы для суперконденсаторов 9
1.2.1 Проводящие полимеры 9
1.3 Материалы на основе оксидов переходных металлов 11
1.3.1. Оксид рутения (RuO2) 11
1.3.2. Оксид марганца (MnO2) 12
1.4. Углеродные материалы 12
2. Методы исследования 15
2.1. Оптико-эмиссионный спектральный анализ 15
2.2. Электронная микроскопия 16
2.3. Термогравимерический анализ 17
2.4. Рентгенофазовый анализ 18
2.5. Вольтамперометрия 20
3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 23
3.1. Получение наноструктурированного композитного материала на основе углеродной матрицы и азида кобальта 23
3.2. Получение композиционного материала Со(ОН)2/САК 24
3.3. Получение наноструктурированного композитного материала 25
на основе углеродной матрицы иоксида кобальта 25
3.4. Оптико-эмиссионная спектрометрия 27
3.5. Электронно-микроскопическое исследование 28
3.6. Термогравиметрия 29
3.7. Рентгенофазовый анализ 32
3.8. Исследование образцов электродных материалов методом малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (МУРР) 33
3.9. Вольтамперометрия 38
Выводы. 41
Список литературы 42

Весь текст будет доступен после покупки

Одним из важнейших направлений современной электрохимии является создание и усовершенствование перезаряжаемых электрохимических устройств с высокими мощностными и энергетическими характеристиками. С этой точки зрения наибольшего интереса заслуживают электрохимические суперконденсаторы. Поэтому актуальной задачей является создание электродов суперконденсаторов, отвечающих требованиям высокой удельной электрической емкости, а также характеризующегося значительной механической прочностью, химической инертностью к компонентам электролита.
Цель работы: изучить влияние пористой структуры матрицы на электро-химические свойства наноструктурированного электродного материала, содержащего в качестве наполнителя оксид кобальта (I, III).
Задачи:
1. Провести исследование возможности создания нанокомпозитного электродного материала для суперконденсаторов на основе пористого углеродного материала САК с наполнителем состава Co3O4 методом терморазложения азида кобальта (II) и гидроксида кобальта (II).
2. Путем проведения дериватографического исследования установить, что терморазложение азида кобальта (II) в порах углеродной матрицы САК протекает при температуре порядка 240oC. Методом рентгенофазового анализа установить, что продуктом терморазложения как азида кобальта (II), так и гидроксида кобальта (II) в порах углеродной матрицы САК является оксид кобальта Co3O4.
3. С использованием метода циклической вольтамперометрии установить, что введение наполнителя Co3O4 в углеродную матрицу САК приводит к росту вклада псевдоемкости в общую емкость электродного материала.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Типы суперконденсаторов
В настоящее время наблюдается бурное развитие новых электронных и оптоэлектронных устройств, требующих более надежных источников питания, которые должны сочетать в себе более высокую плотность энергии и долговечность. Суперконденсаторы стали одной из самых перспективных систем накопления энергии, поскольку они характеризуются высокой плотностью мощности, быстрым зарядом-разрядом, длительной циклической стабильностью. Тем не менее, изначально низкая плотность энергии присуща традиционным суперконденсаторам, что ограничивает их широкое применение, побуждая исследователей разрабатывать новые типы суперконденсаторов с улучшенными характеристиками.
Существует три вида суперконденсаторов:
1. Псевдоконденсаторы.
2. Гибридные конденсаторы.
3. Двойного слоя
1.1.1. Псевдоконденсаторы
Псевдоконденсаторы - это системы, в которых электрическая емкость возникает в результате окислительно-восстановительных процессов. Материа-лами для электродов в псевдоконденсаторах часто являются оксиды переход-ных металлов (RuO2, NiO, MnO2 и т.д.), проводящие полимеры (полианилин, политиофен, полипиррол, и др.), а накопление заряда происходит за счет фарадеевских процессов.[1]

Весь текст будет доступен после покупки

1. G.A. Snook, P. Kao, A.S. Best, Conducting-polymer-based superca-pacitor devices and electrodes. Journal of Power Sources, 2011. 196(1): p. 1-12.
2. R. Ramya, R. Sivasubramanian,M.V. Sangaranarayanan, Conducting polymers-based electrochemical supercapacitors-Progress and prospects. Electrochimica Acta, 2013. 101: p. 109-129.
3. Y. Zhang, Q. Ma, S. Wang, X. Liu, L. Li, Poly (vinyl alcohol)-assisted fabrication of hollow carbon spheres/reduced graphene oxide nano-composites for high-performance lithium-ion battery anodes, ACS Nano, 12 (2018) 4824–4834.
4. S. Yang, S. Wang, X. Liu, L. Li, Biomass derived interconnected hierarchical micro- meso-macro-porous carbon with ultrahigh capacitance for supercapacitor, Carbon 147 (2019) 540–549.
5. Charge Transfer in Polymeric Systems // Faraday Discussions of the Chemical Society. 1989. Vol. 88.
6. Bartlett P.N. Modified Electrode Surface in Amperometric Biosensors // Med. and Biol. Eng. and Comput. 1990. Vol. 28. P. B10–B17.
7. Natan M.J., Wrighton M.S. Chemically Modified Microelectrode Arrays // Progr. in Inorgan. Chem. 1990. Vol. 37. P. 391–494.
8. G.H. Yu, X. Xie, L.J. Pan, Z.N. Bao,Y. Cui, Hybrid nanostructured materials for high- performance electrochemical capacitors. Nano Energy, 2013. 2(2): p. 213-234.
9. P. Simon,Y. Gogotsi, Materials for Electrochemical Capacitors. Nature Materials, 2008. 7(11): p. 10.
10. J.P. Zheng, P.J. Cygan,T.R. Jow, Hydrous Ruthenium Oxide as an Electrode Material for Electrochemical Capacitors. Journal of the Electrochemical Society, 1995. 142(8): p. 2699-2703.
11. D. Belanger, T. Brousse,J.W. Long, Manganese oxides: battery materials make the leap to electrochemical capacitors. Electrochemical Society Interface, 2008. 17(1): p. 4.
12. M. Toupin, T. Brousse,D. Belanger, Charge storage mechanism of MnO2 electrode used in aqueous electrochemical capacitor. Chemistry of Materials, 2004. 16(16): p. 3184-3190.
13. B.D. Desai, J.B. Fernandes,V.N.K. Dalal, Manganese-Dioxide - a Review of a Battery Chemical .2. Solid-State and Electrochemical Properties of Manganese Dioxides. Journal of Power Sources, 1985. 16(1): p. 1-43.
14. Lewandowski, A. Practical and theoretical limits for electrochemi-cal double-layer capacitors / A. Lewandowski, M. Galinski // Journal of Power Sources. - 2007. -Vol. 173. - P. 822-828.
15. Кузнецов, В.П. Двойнослойные конденсаторы (ионисторы) на основе нанопористых углеродных материалов-перспективные накопители электроэнергии / В.П. Кузнецов, М.Е. Компан, А.Е. Кравчук // Международный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ. – 2007. - Т. 2, №46. – С. 106-109.
16. Электродный материал для суперконденсаторов на основе наноструктурного углерода / С.Л. Рево, И.М. Будзуляк, Б.И. Рачий, М.М. Кузишин // Электронная обработка материалов. – 2013. – Т. 49, № 1. – С. 71–75.
17. Ефстеева, Ю.Г. Свойства электродов из тетраэдрического аморфного углерода / Ю.Г. Ефстеева // Электрохимия. - 2005.- Т. 41, №7.- С. 866-871.
18. Zhang H. Acetylene black agglomeration in activated carbon based electrochemical double layer capacitor electrodes / H. Zhang, W. Zhang, J. Cheng // Solid State Ionics. - 2008. - Vol. 179. -P. 1946-1950.
19. Вольфкович, Ю.М. Углеродные электроды с большей псевдоемкостью для суперконденсаторов / Ю.М. Вольфкович, А.А. Михалин, Д.А. Бограчев // Электрохимия. - 2012.- Т. 48, №2. – С. 11-23.
20. Рычагов А.Ю. Физико-химические свойства электродов на основе высокодисперсного углерода в условиях работы электрохимических конденсаторов: автореф. дис. канд. хим. наук. М.: Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН. - 2008.- 25 с.
21. Рычагов, А.Ю. Особенности взаимодействия активированных угольных электродов с растворами серной кислоты / А.Ю. Рычагов // Электрохимия. -2007. - Т. 43, № 11. - С. 1343-1349.
22. Иванов, A.M.Молекулярные накопители электрической энер-гии на основе двойного электрического слоя / A.M. Иванов, А.Ф. Герасимов // Электричество. - 1991. - Т. 8.- С. 16- 19.
23. Pore structure control of mesoporous carbon as supercapacitor material / Z. Jiachang, L. Chunyan, D. Yang // Materials Letters. - 2007. - Vol. 61. - P. 4639–4642.
24. Воропай, А.Н. Получение наноструктурированных композитов на основе высокопористых углеродных матриц, наполненных ni илиni(он)2, и определение факторов, влияющих на их физико-химические свойства: дис.канд.хим.наук: 02.00.04/ Воропай Александр Николаевич.-Кемерово,2014.-35с.
25. Уэндландт У. Термические методы анализа /У. Уэндландт; пер. с англ. под ред. В. А. Степанова и В. А. Берштейна. – М. : Мир, 1978. – 526 с.
26. 8. Шестак Я. Теория термического анализа: Физико-химические свойства твердых неорганических веществ /Я. Шестак; пер. с англ. – М. : Мир, 1987. – 456 с.
27. 9. Альмяшев В. И. Термические методы анализа: учеб. пособие /В. И. Альмяшев, В. В. Гусаров – СПб: Изд-во СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999. – 40 с.
28. Рентгенография. Спецпрактикум. / Под ред. А.А.Кацнельсона. Изд. МГУ.- 1986. -С.240.
29. Турьян, Я.И. Полярографическая каталиметрия. / Я.И. Турьян , О.Е. Рувинский, П.М. Зайцев – М.: Химия, 1980. – 333 с.
30. Лопатин, Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа./ Б.А. Лопатин. – М.: Высш. шк., 1975.– 222 с.

Весь текст будет доступен после покупки