ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
Интеллектуальная Система Тематического Исследования НАукометрических данных |
||
В связи с необходимостью обеспечения постоянно растущих потребностей человечества в энергии, проект направлен на разработку современных высокоэффективных устройств её хранения и предполагает комплексный подход для их реализации на основе различных типов двумерных материалов. Участники проекта имеют огромный опыт работ как в области синтеза и характеризации электродных материалов и электролитов, так и монтажа и исследования электрохимических устройств в целом, что отражено в высокоцитируемых публикациях. Имеющиеся наработки позволят получить и исследовать новые 2D-материалы, такие как модифицированные различным образом производные графена и максенов (слоистых карбидов переходных металлов). В ходе проекта планируется сфокусироваться на применении полученных материалов для суперконденсаторных сборок с неводными электролитами, а также литий- и натрий-ионных батарей. Структурные особенности упоминаемых фаз и электрохимические свойства сборок на их основе будут подробно изучены с применением самых современных методов исследования: ИК- и КР-спектроскопии, рентгенофазового анализа, ПЭМ ВР, РФЭС, спектроскопии импеданса и др. Таким образом, научная значимость проекта - достаточно велика, а получаемые результаты будут соответствовать, а, в ряде случаев, и превосходить, мировой уровень. Реализация данного проекта позволит разработать устройства хранения энергии с высокими емкостными, мощностными и экплуатационными характеристиками, повысить их безопасность. Немаловажно, что в коллективе много молодых участников, и получение проекта позволит им закрепиться в научном сообществе, наладить тесные международные связи.
In accordance with the ensure of the growing needs of mankind for energy, the project is aimed at development of highly efficient devices for its storage and assumes a comprehensive approach for their implementation based on various types of two-dimensional materials. The project participants have the experience in both - synthesis and characterization of electrode materials and electrolytes, and in the assembling and research of electrochemical devices, that is reflected at highly cited publications. The scientific background of the team members will allow to obtain and investigate new 2D materials, such as graphene and MXenes derivatives (layered transition metals carbides) modified in various ways. It is planned to focus on the use of the materials obtained for supercapacitors with non-aqueous electrolytes, as well as lithium and sodium-ion batteries. The structural features of the phases mentioned above and the electrochemical properties of the cells based on them will be studied using the modern investigation techniques: IR and Raman spectroscopy, X-ray diffraction, HRTEM, XPS, impedance spectroscopy, etc. Thus, the scientific significance of the project is quite large, and its results will correspond, and in some cases, exceed, the world level. The implementation of this project will allow developing new energy storage devices with high capacitance, power and performance characteristics, increase their safety. It is important that there are a lot of young participants in the team, and getting the project will allow them to gain a foothold in the scientific community, establish close international relations.
Представителями авторского коллектива активно синтезируются и исследуются в качестве электродных материалов для суперконденсаторов и металл-ионных батарей различные типы углеродных наноматериалов, в т.ч. гетерозамещенных. Показано, в частности, что их ёмкость зависит от морфологии, дефектности или локализации гетероатома в структуре графеновых слоёв .Также установлено, что азотдопированные материалы, в которых гетероатомы локализованы непосредственно в графеновых слоях, демонстрируют более высокие значения ёмкости по сравнению с недопированными аналогами во всём интервале прикладываемых потенциалов, ограничиваемом электрохимическим окном стабильности электролита. Членами группы также электрохимически синтезированы композиты углеродных нанотрубок с электроактивным полимером – полипирролом. Выявлена возможность имплементации смешанных электролитов на основе высоковольных ионных жидкостей с симметричным окном электрохимической стабильности с солями лития в ацетонитриле для реализации эффекта псевдоёмкости на азотдопированных нанотрубках и малослойных графитовых фрагментах, при учете соответствия размеров пары «поры-ионы». Изучено также влияние искрового плазменного спекания (ИПС) на структуру и свойства углеродных и гибридных металлоуглеродных материалов. Показано, что такая обработка ведёт, к примеру, к уменьшению кривизны малослойных графитовых фрагментов и снижению их общего объёма пор наряду с уплотнением материала. Впервые исследованы адсорбционные свойства спечённых материалов в отношении к модельным жидкостям.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 28 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Новые двумерные материалы для электродных масс устройств хранения энергии |
Результаты этапа: В рамках первого года выполнения проекта отработаны методики твердофазного синтеза карбидов переходных металлов - Тi, Mo, Nb, V - термической обработкой смесей реагентов при 1100 оС. Их состав и структура подтверждены методами РФА и РФЭС. MXene фаза состава Тi3С2(OH)xFy получена из прекурсора Ti3AlC2 двумя методами: гидротермальной обработкой Ti3AlC2 водным раствором щелочи и реакцией Ti3AlC2 с водным раствором NaHF2. Показано, что второй метод является более эффективным для удаления атомов алюминия из структуры исходного соединения. В его составе, по данным метода РФЭС, содержание алюминия не превышало 0,07 ат. % (брутто формула Ti3C0,97Al0,07Na0,29O1,47F2,18). В результате пиролиза гексана на никелевой пене получены продукты пиролитического осаждения углерода - графитоподобная темплатная сажа и углеродные наносферы. Изучены условия, влияющие на морфологию, степень кристалличности и соотношение указанных углеродсодержащих продуктов. Углеродная пена образуется при непродолжительном синтезе (не более 5 мин.), в то время как при увеличении времени пиролиза C6H14 до 10-30 мин в составе продукта появляется вторая фаза – углеродные наносферы, содержание которых увеличивается с увеличением как времени синтеза, так и времени последующей термической обработки продуктов. Их структура представляет собой комбинацию упорядоченных и расструктурированных доменов, что подтверждено методами РФА, КР и ПЭМ ВР. Впервые получены термофизические характеристики углеродных наносфер. Стандартная теплота их образования, определенная методом бомбовой калориметрии, составила (15.48±0.34) кДж.моль-1, что близко к энтальпии образования углеродных луковичных структур. Азот-замещенные углеродные пены получены пиролизом ацетонитрила в присутствии Ni пены в течение 5 мин при различных температурах (750, 800, 900, 1000 оС). Установлено, что максимальное содержание азота составило 7.8 ат. % (синтез при 900 оС); преимущественная форма его нахождения - гетерозамещение углерода в графеновых плоскостях. При обработке полученных углеродных пен в автоклаве в водном растворе аммиака получены пост-допированные атомами азота продукты, содержание азота в продукте составило 2.0 ат. %. Атомы азота входили, преимущественно, в состав поверхностных групп. Полученные углеродные пены, азот-допированные и пост-допированные пены исследованы в качестве материалов анодов литий-ионных батарей. Показано, что наилучшие характеристики демонстрируют сборки с пост-допированной углеродной пеной. | ||
2 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Новые двумерные материалы для электродных масс устройств хранения энергии |
Результаты этапа: В рамках второго года выполнения проекта уточнены методики синтеза MAX фазы состава V2AlC при твердофазном спекании прекурсоров V, VC. Alизб. и MXene фаз составов Ti3C2Tx и V2CTx гидрофторидным способом. Для фазы Ti3C2Tx опробовано три способа деламинирования структуры (расслаивания с целью увеличения межслоевого расстояния): ультразвуковая (УЗ) обработка в ДМСО или растворах гидразина, мочевины, тетраметиламмоний хлорида, электрохимическое травление и впервые обработка Ti3C2Tx в сверхкритическом (СК) N2 или последовательной обработке СК N2 и ДМСО. Показано, что наиболее результативной оказалась УЗ-обработка в ДМСО: межплоскостное расстояние, согласно данным РФА, увеличилось до 3.4 нм. При получении MXene фазы Ti3C2Tx из Ti3AlC2 при катодном удалении Al, а так же и при анодной обработке Ti3C2Tx с целью деламинации слоистой структуры установлено, что вследствие высоких сопротивлений исходных материалов, ни удаления Al, ни деламинации достичь не удалось. При обработке в СК N2 фаза Ti3C2Tx расслаивалась до малослойных фрагментов, что подтверждено методом ПЭМ. Слоистые азот-допированные 2D-частицы углеродного наноматериала (2D-УНС) получали пиролизом ацетонитрила в течение 15, 30 или 90 мин при 900 оС в присутствии темплата MgO. По данным РФЭС, содержание азота в полученных структурах составило 6.2 – 6.6 ат. %. Недопированные частицы получали пиролизом гексана в течение 90 мин в аналогичных условиях. С увеличением времени синтеза значения SБЭТ частиц 2D-УНС уменьшались (910 м2/г, N-2D-УНС, синтез 15 мин; 700 м2/г, N-2D-УНС, синтез 30 мин; 560 м2/г, N-2D-УНС, синтез 90 мин). Двойнослойные суперконденсаторы (ДСК) с электродами из 2D-УНС с электролитом 1.2 М TEATFSI исследованы методом ЦВА. Наибольшая ёмкость (123 Ф/г) достигается при использовании азотдопированного материала с наибольшей SБЭТ. Уменьшение ёмкости при увеличении времени синтеза до 93 Ф/г и 82 Ф/г обусловлено снижением доступной поверхности пор для накопления заряда. Ёмкость ДСК с электродами из недопированного 2D-УНС (SБЭТ=590 м2/г) не превышала 36 Ф/г. Существенное улучшение ёмкость N-2D-УНС связано с введение в структуру материала атомов азота, которые способствуют появлению азотных активных центров, принимающих участие в редокс-процессах и вносящих вклад в формирование псевдоёмкости. Впервые исследованы электролитные системы на основе ионной жидкости (ИЖ) бис(трифторметилсульфонил)имида тригексилтетрадецилфосфония ([P66616][TFSI]) в ацетонитриле, пропионитриле, диметилкарбонате и диэтилкарбонате. На основании температурных зависимостей растворов вычислены с использованием уравнений Аррениуса, Литовица и Вогеля-Фулчера-Таммана (ВФТ) значения энергии активации Ea электропроводности. Значения Ea коррелируют с мольной долей [P66616][TFSI] в растворах. При увеличении концентрации ИЖ от 2 до 100 мол % Ea, рассчитанная методом ВФТ, растёт с 3.6 кДж/моль (ацетонитрил), 3.8 кДж/моль (пропионитрил), 4.4 кДж/моль (диметилкарбонат), 5.0 кДж/моль (диэтилкарбонат) до 11.3 кДж/моль (без разбавления). Оптимальные концентрации электролитов, которые обеспечивают высокие значения электропроводности: 3.1 мол. % (13.2 мСм/см, ацетонитрил), 3.7 мол. % (9.7 мСм/см, пропионитрил), 11.0 мол.% (1.6 мСм/см, диметилкарбонат), 13.8 мол. % (0.7 мСм/см, диэтилкарбонат) определены на основании изучения концентрационных зависимостей данных систем методом Кастеля-Амиса. | ||
3 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Новые двумерные материалы для электродных масс устройств хранения энергии |
Результаты этапа: На третьем году выполнения проекта наработаны MXene фазы составов Ti3C2Tx и VCTx с различными терминальными группами в том числе с Cl, F и S в количествах, достаточных для изготовления электрохимических сборок. Продолжены эксперименты по исследованию сорбции органических растворителей (ацетонитрил, ДМСО, гексан) на поверхности Ti3C2Tx и VCTx на приборе DVS Advantage. В качестве материалов электродов CК сборок изучены все ранее полученные и охарактеризованные фазы, а так же MXene, дополнительно обработанные в сольвотермальных условиях с целью получения преимущественно бескислородных групп. Также исследованы композиты 2D-УНС (графеновые структуры) с MXene в качестве материалов электродов СК и Li-ионных батарей, будет оптимизировано их соотношение с целью получения наилучших емкостных и энергетических характеристик. Для СК использованы новые электролитные системы на основе тетраэтиламмоний тетрафторбората [TEA][BF4], тетраэтиламмоний метансульфоната [TEA][MSO], 5-азаспиро[4.4]нонан-5-иум тетрафторбората [SBP][BF4] в ацетонитриле, пропионитриле. Оптимальные концентрации ИЖ выбраны по температурным зависимостям электропроводности рассматриваемых электролитных систем. Материалы MXene и композитов 2D-УНС-MXene после циклирования (ЦВА) исследованы методами ПЭМ, ИК и РФЭС. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".