Синтез, модифікація та фізичні властивості нанопористого вуглецю - Автореферат

Синтез, модифікація та фізичні властивості нанопористого вуглецюФізико-хімічні властивості систем електрод-електроліт сьогодні інтенсивно вивчаються, оскільки такі системи є основою для формування джерел і накопичувачів електричної енергії. Для формування ЕК в якості електродного матеріалу, в основному, використовують активований вуглець (АВ) з великою (> 1000 м2/г) розвинутою поверхнею і певним розподілом пор за розмірами. Щодо сировини рослинного походження, то досліджень з її використання в якості вихідного матеріалу для отримання АВ небагато, вони носять фрагментарний характер і не дають цілісної картини про можливість застосування АВ для вказаних цілей. Виходячи з цього, розробка нових методик отримання АВ з сировини рослинного походження, проведення комплексу фізико-хімічних досліджень енергонакопичувальних процесів у електродних матеріалах на основі порошкових вуглецевих речовин з природної сировини визначає актуальність обраної теми дисертаційного дослідження. Основна мета роботи: розробити методику та встановити оптимальні технологічні параметри формування пористої структури АВ при його отриманні з вихідної речовини рослинного походження; встановити закономірності впливу легування АВ рідкоземельними металами (РЗМ) та їх сполуками і металами, які володіють високою густиною електронних станів, на енергонакопичувальні характеристики конденсаторів, створених на його основі.Значну увагу приділено особливостям утворення ПЕШ на межі розділу тверде тіло/рідина (зокрема, вуглецевий матеріал/електроліт), проаналізовано сучасний стан використання процесів заряду / розряду ПЕШ в енергонакопичувальних пристроях, що формуються на основі нанопористого вуглецю. В розділі зроблено висновок про фрагментарність і неповноту літературних даних щодо використання вихідних матеріалів рослинного походження для отримання АВ, який використовується при формуванні ЕК, вказується на доцільність розробки способів отримання АВ з даної сировини з огляду на їх дешевизну, екологічну безпеку, широке розповсюдження в природі. Все це дає підстави стверджувати, і це підтверджено нами експериментально, що лише в фруктових кісточках застосування запропонованої методики карбонізації і активації при високому тиску приводить до формування пористої структури з великою питомою поверхнею і оптимальним розподілом пор за розмірами, так як їх структура і склад дають більш широкий вибір можливостей реалізувати ту чи іншу пористу структуру. Характеристики ЕК, сформованих на основі одержаного АВ з оптимально підібраними технологічними параметрами, дають підставу стверджувати, що при вказаних параметрах (час, температура, тиск) вищезгаданих процесів (активаційної карбонізації, термовакуумної обробки) формується система пор з оптимальним співвідношенням між обємними частками ультрамікропор (> 0,7 нм), мікропор (0,7 - 2 нм), мезопор (2 - 20 нм), і макропор (> 20 нм), яке, для нашого випадку, в середньому складає 15:40:20:25. Протилежна поведінка спостерігається при впровадженні хрому: згідно залежностей С = f(E) допування хромом не приводить до вирівнювання обох віток С-Е залежностей, в результаті чого ємність таких матеріалів в додатній області потенціалів є меншою у порівнянні з чистим АВ.Додатковий термовакуумний відпал отриманого активованого вуглецю при температурі 723-743 К в камері із залишковим тиском не більше 1,33 Па протягом 60-70 хв. підвищує питому ємність відповідних конденсаторів на 10-15% внаслідок десорбції неконтрольованих домішок із утворених пор. Використання синтезованого активованого вугілля у якості електродного матеріалу електрохімічних конденсаторів з водним розчином електроліту (КОН) дозволяє отримати максимальні значення питомої ємності 85-90 Ф/г при максимальній зарядній напрузі 1 В, яка обмежується електрохімічною стабільністю електроліту. Основною причиною такого зростання є трансформація енергетичного спектру електронів АВ за рахунок збільшення густини електронних станів, в результаті чого значно більша кількість іонів електроліту (насамперед, позитивних) приймає участь у формуванні ПЕШ і зумовлює ріст питомої ємності електрохімічних конденсаторів. Максимум питомої ємності в залежності від концентрації легуючих домішок хрому та марганцю припадає на 0,2 ваг.% і 0,3 ваг.%, відповідно.

Основний зміст