Химическая активация пористого азотсодержащего углеродного наноматериала для улучшения электрохимических свойств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-73-10068

НазваниеХимическая активация пористого азотсодержащего углеродного наноматериала для улучшения электрохимических свойств

Руководитель Федосеева Юлия Владимировна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В.Николаева Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова Пористый углеродный наноматериал, CVD-синтез, легирование азотом, химическая активация, суперконденсаторы, натрий-ионные аккумуляторы, рентгеновская спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Код ГРНТИ31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Разработка новых эффективных систем накопления и хранения электрической энергии имеет критически важное значение для развития энергетики. Электрохимические накопители являются наиболее высокоэффективными и широко используются для стабилизации выходной мощности альтернативных источников энергии, в портативной технике и транспорте. Среди существующих электрохимических устройств литий-ионные аккумуляторы занимают лидирующие позиции. Однако для совершенствования доминирующей технологии и разработки устройств накопления-преобразования энергии следующего поколения является актуальным разработка новых электродных материалов с высокой удельной емкостью и скоростью диффузии ионов. Нанопористый углерод, который представляет собой трехмерный углеродный каркас, является перспективным материалом, обладающим хорошей электрической проводимостью, химической инертностью, физической устойчивостью и низкой стоимостью. Благодаря высокой пористости и большой удельной площади углеродные материалы обладают хорошими емкостными и энергетическими характеристиками не только в литий-ионных аккумуляторах, но также и в более дешевых натрий-ионных аккумуляторах, и в суперконденсаторах. Существует несколько подходов к активации пористого углеродного материала с целью улучшения его емкостных характеристик. Прежде всего, это контролируемое управление в процессе синтеза текстурными характеристиками материала, такими как размером, геометрией и организацией пор, дефектностью и толщиной стенок. Второй подход основан на введение гетероатомов в структуру в процессе синтеза или пост-обработки. Неоднократно было показано, что встраивание азота в графитовую структуру углеродных частиц приводит к улучшению их электрохимических характеристик. Третий поход заключается в химической активации, а именно частичного травления структуры, удаления пассивирующих функциональных групп, увеличения межплоскостного расстояния, для того чтобы ранее недоступные поры и поверхности стали активными к сорбции ионов. Настоящий проект направлен на развитие методов синтеза и разработку подходов химической активации пористых азотсодержащих углеродных материалов, диагностики полученных материалов комплексом современных физико-химических методов и исследование электрохимических свойств в качестве электродного материала в макетах суперконденсаторов и натрий-ионных аккумуляторов. Научная новизна проекта состоит в комплексном подходе к решению научной проблемы. Будут использоваться оригинальные комплексные методы, включающие создание частиц темплата непосредственно перед проведением CVD синтеза и химической активации пористых азотсодержащих углеродных наноматериалов с использованием воды, галогенов, щелочи, азотсодержащих соединений и металлических наночастиц. Морфология, текстурные характеристики, функциональный состав образцов будут исследованы набором современных физико-химических методов. В том числе будут применяться поверхностно чувствительный метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, и методы рентгеновской эмиссионной спектроскопии и ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения, которые являются чувствительными к составу, химическому состоянию и локальному окружению атомов. Будут проведены in situ рентгеноспектральные измерения взаимодействия углеродного материала с атомами натрия. Будут проведены исследования электрохимических свойств (измерения емкости, разрядных-зарядных кривых, электрохимического импеданса) электродов из полученных азот-содержащих углеродных образцов в макетах современных электрохимических устройств суперконденсаторах и натрий-ионных батарейках. Проведенные поисковые исследования, как ожидается, позволят определить условия получения и основные структурные характеристики пористого азот-содержащего углеродного наноматериала, которые обеспечивают высокие значения емкости электродного материала в натрий-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах. Полученные результаты работы будут иметь фундаментальное значение для изучения механизмов химической активации углеродных наноматериалов и влияния структурных особенностей на процессы интеркаляции ионов натрия для разработки натрий ионных батареек и сорбции ионов электролита в суперконденсаторах.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шляхова Е.В., Окотруб А.В., Федоровская Е.О., Мельгунова Е.А., Мельгунов М.С., Булушева Л.Г. Пористый углерод, полученный осаждением паров этанола на темплатных наночастицах С-СаO, и его применение в суперконденсаторах Программа и сборник тезисов докладов третьей российской конференции «Графен: молекула и 2D-кристалл», с. 56 (год публикации - 2019)

2. Шляхова Е.В., Окотруб А.В., Федоровская Е.О., Булушева Л.Г. Porous carbon obtained by presipitation of ethanol vapour on templated C-CaO nanoparticles Book of abstracts. Nanotec19 International conference on carbon nanoscience and nanotechnology, p.60 (год публикации - 2019)

3. Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Chemical modification of porous carbon for alkali metal storage Book of abstracts. Nanotec19 International conference on carbon nanoscience and nanotechnology, p.39 (год публикации - 2019)

4. Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Лобяк Е.В., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Рентгеноспектральное исследование пористых углеродных наноматериалов после взаимодействия с щелочными металлами Материалы XXIII Всероссийской конференции с международным участием "Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь", с.71 (год публикации - 2019)

5. Ямалетдинов Р.Д., Першин Ю.В. Ultrafast lithium diffusion in bilayer buckled graphene: A comparative study of Li and Na Scripta Materialia, Volume 178, pages 139-143 (год публикации - 2020)
10.1016/j.scriptamat.2019.11.017

6. Шляхова Е.В., Федосеева Ю.В., Лобяк E.B., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Синтез азот-допированого пористого углеродного материала из ацетонитрила и солей кальция (тартрат, адипинат, глутарат) Программа и сборник тезисов докладов Пятого семинара по проблемам химического осаждения из газовой фазы "Кузнецовские чтения – 2020", с. 39 (год публикации - 2020)

7. Нищакова А.Д., Гребёнкина М.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Влияние температуры CVD синтеза на структуру и свойства пористого азотсодержащего углеродного материала Программа и сборник тезисов докладов Пятого семинара по проблемам химического осаждения из газовой фазы "Кузнецовские чтения – 2020", с. 80 (год публикации - 2020)

8. Федосова А.А., Гребенкина М.А., Нищакова А.Д., Шляхова Е.В., Федосеева Ю.В., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Влияние температуры CVD-синтеза пористого азотсодержащего углеродного материала на электрохимические свойства в натрий-ионных аккумуляторах Программа и сборник тезисов докладов Пятого семинара по проблемам химического осаждения из газовой фазы "Кузнецовские чтения – 2020", с. 81. (год публикации - 2020)

9. Шляхова Е.В., Федосеева Ю.В., Нищакова А.Д., Ворфоломеева А.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Темплатный синтез азотдопированного пористого материала из кальциевых солей для электрохимических приложений сборник тезисов 13-й симпозиума с международным участием "Термодинамика и материаловедение", C.64 (год публикации - 2020)

10. Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Ворфоломеева А.А., Гребенкина М.А., Булушева Л.Г., Макарова А.А., Окотруб А.В. Исследование пористого азотсодержащего графитового материала методами рентгеновской и рентгеноэлектронной спектроскопии и его взаимодействие с натрием Сборник тезисов 13-го симпозиума с международным участием "Термодинамика и материаловедение", C. 57 (год публикации - 2020)

11. Шляхова Е.В., Федосеева Ю.В., Нищакова А.Д., Ворфоломеева А.А., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Nitrogen –doped porous carbon obtained by precipitation of acetonitrile vapors on template C-CaO nanoparticles for electrochemical applications Proceeding First virtual Bilateral Conference on Functional Materials (BiC-FM) (год публикации - 2020)

12. Столярова С.Г., Федосова А.А., Баскакова К.И., Федосеева Ю.В., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Бромированная углеродная сажа для анодов натрий-ионных аккумуляторов Сборник трудов 13-го симпозиума с международным участием "Термодинамика и материаловедение", C. 49 (год публикации - 2020)

13. Федосеева Ю.В., Лобяк Е.В., Шляхова Е.В., Коваленко К.А., Кузнецова В.Р., Ворфоломеева А.А., Гребенкина М.А.,Нищакова А.Д., Макарова А.А., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Hydrothermal Activation of Porous Nitrogen-Doped Carbon Materials for Electrochemical Capacitors and Sodium-Ion Batteries Nanomaterials, V. 10, p. 2163 (год публикации - 2020)
10.3390/nano10112163

14. Шляхова Е.В., Oкотруб А.В., Федосеева Ю.В., Федоровская Е.О., Мельгунова Е.А., Мельгунов М.С., Коротеев В.О., Макарова А.А., Чжоу Дж., Сонг Х., Булушева Л.Г. Iron induced porosity of the templated carbon for enhancement of electrochemical capacitance Applied Surface Science, V. 545, 148565 (год публикации - 2021)
10.1016/j.apsusc.2020.148565

15. Нищакова А.Д., Гребенкина М.А., Шляхова Е.В., Шубин Ю.В., Коваленко К.А., Асанов И.П., Федосеева Ю.В., Макарова А.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Porosity and composition of nitrogen-doped carbon materials templated by the thermolysis products of calcium tartrate and their performance in electrochemical capacitors Journal of Alloys and Compounds, V. 858, No.158259 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2020.158259

16. Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Ворфоломеева А.А., Столярова С.Г., Гребёнкина М.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Synthesis and chemical activation of porous nitrogen-doped carbon materials for sodium-ion batteries Book of abstracts 15th International Conference Advanced Carbon Nanostructures, c. 83 (год публикации - 2021)

17. Столярова С.Г., Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Ворфоломеева А.А., Гребенкина М.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Improved sodium-ion storage performance of porous carbon by bromination European Materials Research Society (E-MRS) Fall meeting, Num. A.8.3 (год публикации - 2021)

18. Нищакова А.Д., Федосеева Ю.В., Булушева Л.Г. Synthesis, functionalization and electrochemical properties of N-free and N-doped porous carbon material Book of Abstracts 15th International Conference Advanced Carbon Nanostructures, с. 138 (год публикации - 2021)

19. Шляхова Е.В., Нищакова А.Д., Гребёнкина М.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г., Федосеева Ю.В. Effect of metal dopant in structure and supercapacitor property of templated-assisted porous nitrogen carbon Book of Abstracts 15th International Conference Advanced Carbon Nanostructures, c. 90 (год публикации - 2021)

20. Столярова С.Г., Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Ворфоломеева А.А., Гребенкина М.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Бромированный пористый углерод для анодов натрий-ионных аккумуляторов Тезисы Докладов Первой школы молодых ученых "Электрохимические устройства: процессы, материалы, технологии", с. 24 (год публикации - 2021)

21. Столярова С.Г., Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Ворфоломеева А.А., Гребёнкина М.А., Окотруб А.В., Булушева Л.Г. Brominated porous carbon materials for sodium-ion batteries Book of abstracts 15th International Conference “Advanced Carbon Nanostructures” ACNS’2021, c. 91 (год публикации - 2021)

22. Федосеева Ю.В., Шляхова Е.В., Ворфоломеева А.А., Столярова С.Г., Гребёнкина М.А., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Chemically activated porous nitrogen-doped carbon for sodium-ion batteries NT21: International Conference on the Science and Application of Nanotubes and Low Dimensional Materials, c. 162 (год публикации - 2021)

23. Столярова С.Г.. Федосеева Ю.В., Баскакова К.И., Ворфоломеева А.А., Шубин Ю.В., Макарова А.А., Булушева Л.Г., Окотруб А.В. Bromination of carbon nanohorns to improve sodium-ion storage performance Applied Surface Science, V. 580, 152238 (год публикации - 2022)
10.1016/j.apsusc.2021.152238

Публикации