Характеристика гидротермального синтеза нового графенового материала, функционализированного бензимидазольными фрагментами на основе оксида графена и тетрааминодифенилоксида. Оценка перспективности его применения в качестве электрода суперконденсатора.
Аннотация к работе
Очиров Борис Дамбаевич, РИНЦ SPIN-код=5403-2904, AUTORID: 55304772500, Горенская Елена Николаевна, РИНЦ SPIN-код=7832-7634, AUTORID: 57190620247, Холхоев Бато Чингисович, к.х.н., РИНЦ SPIN-код= 1507-0654, AUTORID: 37661500500, Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, Улан-Удэ, Россия. Бурдуковский Виталий Федорович, д.х.н., доцент, AUTORID: 8280812300, Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, Улан-Удэ, Россия, Бурятский государственный университет, Улан-Удэ, Россия. Получен новый графеновый материал, функционализированный бензимидазольными (БИ) фрагментами на основе оксида графена (ОГ) и 3,3’,4,4’-тетрааминодифенилоксида (ТАДФО) в условиях одностадийного гидротермального синтеза. Согласно данным ИК-спектроскопии и элементного анализа, в результате реакции происходит образование БИ циклов, а массовое содержание азота составляет 12.3 %. Новый графеновый материал (ОГ-БИ) характеризуется превосходной электрохимической эффективностью в трехэлектродном суперконденсаторе - благодаря redox-активности БИ циклов удельная емкость достигает 286 Ф/г при скорости развертки 2 МВ/с, что существенно выше, чем у образца восстановленного оксида графена (ВОГ), полученного в аналогичных условиях без использования ТАДФО (159 Ф/г при 2 МВ/с).Суперконденсаторы (СК), также известные как ультраконденсаторы или ионистры в последние годы привлекают все большую популярность вследствие их высокой плотности мощности, высокой скорости зарядки, длительного времени эксплуатации и безопасности. Однако на сегодняшний день большинство графеновых материалов демонстрируют невысокую емкость (100-200 Ф/г [6,7]), что обусловлено существенным уменьшением удельной площади поверхности ввиду агломерации отдельных графеновых листов. В настоящей работе для предотвращения агломерации графеновых листов предлагается подход, заключающийся в ковалентной модификации ОГ молекулами ТАДФО, сопровождающейся восстановлением кислородсодержащих групп. Выбор ТАДФО в качестве модификатора обусловлен его растворимостью в воде при повышенных температурах, а также формированием в результате взаимодействия с ОГ БИ циклов, которые могут увеличивать емкость суперконденсатора за счет участия в обратимых фарадэевских процессах [8]. 1) в результате взаимодействия ОГ и ТАДФО происходит значительное уменьшение массового содержания кислорода, при этом содержание азота в полученном материале составляет 12.3 %.
Список литературы
1. Huang, Y. An overview of the applications of graphene-based materials in supercapacitors / Y. Huang, J. Liang and Y. Chen // Small. - 2012. - V.12. - P. 1805-1834.
2. A high-performance supercapacitor-battery hybrid energy storage device based on graphene-enhanced electrode materials with ultrahigh energy density / F. Zhang, T. Zhang, X. Yang et al. // Energy Environ. Sci. - 2013. - V.6. - P. 1623-1632.
3. Miller, J.R. Graphene double-layer capacitor with ac line-filtering performance / J.R. Miller, R.A. Outlaw and B.C. Holloway // Science. - V.329. - P. 1637-1639.
4. Graphene-based supercapacitor with an ultrahigh energy density / C. Liu, Z. Yu, D. Neff et al. // Nano Lett. - 2010. - V.10. - P. 4863-4868.
5. Laser scribing of high-performance and flexible graphene-based electrochemical capacitors / M.F. El-Kady, V. Strong, S. Dubin and R.B. Kaner // Science. - 2012. - V.335. - P. 1326-1330.
6. High-performance supercapacitors based on poly (ionic liquid)-modified graphene electrodes / T.Y. Kim, H.W. Lee, M. Stoller et al. // ACS Nano. - 2011. - V.5. - P. 436-442.
7. Graphene-Based Ultracapacitors / M.D. Stoller, S.J. Park, Y. Zhu et al. // Nano Lett. - 2008. - V.8. - P. 3498-3502.
8. Benzoxazole and benzimidazole heterocycle-grafted graphene for high-performance supercapacitor electrodes / W. Ai, W. Zhou, Zh. Du // J. Mater. Chem. - 2012. - V.22. - P. 23429-23446.
9. Hummers, W. Preparation of Graphitic Oxide / W. Hummers, R. Offeman // J. Am. Chem. Soc. - 1958. - V.80. - P. 1339-1339.
10. Surface electrochemical treatment of carbon materials for supercapacitors / Uvarov N.F., Mateyshina Yu.G., Ulihin A.S. et al. // ECS Transactions. - 2010. - V.25. - P. 11-11.
11. Chemical treatment of graphite nanoplatelets and their use in supercapacitors / A.A. Shibaev, S.I. Yusin, E.A. Maksimovskii, A.V. Ukhina, A.G. Bannov // Russian Journal of Applied Chemistry. - 2016. - Vol.89. - P. 739-745.
References: 1. Huang, Y. An overview of the applications of graphene-based materials in supercapacitors / Y. Huang, J. Liang and Y. Chen // Small. - 2012. - V.12. - P. 1805-1834.
2. A high-performance supercapacitor-battery hybrid energy storage device based on graphene-enhanced electrode materials with ultrahigh energy density / F. Zhang, T. Zhang, X. Yang et al. // Energy Environ. Sci. - 2013. - V.6. - P. 1623-1632.
3. Miller, J.R. Graphene double-layer capacitor with ac line-filtering performance / J.R. Miller, R.A. Outlaw and B.C. Holloway // Science. - V.329. - P. 1637-1639.
4. Graphene-based supercapacitor with an ultrahigh energy density / C. Liu, Z. Yu, D. Neff et al. // Nano Lett. - 2010. - V.10. - P. 4863-4868.
5. Laser scribing of high-performance and flexible graphene-based electrochemical capacitors / M.F. El-Kady, V. Strong, S. Dubin and R.B. Kaner // Science. - 2012. - V.335. - P. 1326-1330.
6. High-performance supercapacitors based on poly (ionic liquid)-modified graphene electrodes / T.Y. Kim, H.W. Lee, M. Stoller et al. // ACS Nano. - 2011. - V.5. - P. 436-442.
7. Graphene-Based Ultracapacitors / M.D. Stoller, S.J. Park, Y. Zhu et al. // Nano Lett. - 2008. - V.8. - P. 3498-3502.
8. Benzoxazole and benzimidazole heterocycle-grafted graphene for high-performance supercapacitor electrodes / W. Ai, W. Zhou, Zh. Du // J. Mater. Chem. - 2012. - V.22. - P. 23429-23446.
9. Hummers, W. Preparation of Graphitic Oxide / W. Hummers, R. Offeman // J. Am. Chem. Soc. - 1958. - V.80. - P. 1339-1339.
10. Surface electrochemical treatment of carbon materials for supercapacitors / Uvarov N.F., Mateyshina Yu.G., Ulihin A.S. et al. // ECS Transactions. - 2010. - V.25. - P. 11-11.
11. Chemical treatment of graphite nanoplatelets and their use in supercapacitors / A.A. Shibaev, S.I. Yusin, E.A. Maksimovskii, A.V. Ukhina, A.G. Bannov // Russian Journal of Applied Chemistry. - 2016. - Vol.89. - P. 739-745.