| Аннотация |
Углеродные материалы составляют основу большинства электрохимических источников тока. Они обладают высокой электропроводностью, большой удельной поверхностью, химической стабильностью и низкой стоимостью. Несмотря на широкое применение углеродных материалов при создании источников, их электрохимические характеристики остаются низкими. Использование наноструктурированных форм в комбинации с традиционными углеродными материалами позволяет получить более высокие характеристики. Для повышения электрохимических характеристик углеродных материалов могут использоваться различные подходы. Распространённым методом является добавление активных материалов, например, оксидов переходных металлов или благородных металлов. Альтернативным подходом является внедрение гетероатомов в кристаллическую решётку, что также позволяет увеличить каталитическую активность материалов. Такие методы активно применяются для модификации поверхности углеродных наноматериалов, в частности, углеродных наностенок.
Углеродные наностенки представляют собой вертикально ориентированные графеновые слои с удельной поверхностью около 1200 м²/г, что делает их перспективным материалом для использования в электрохимических источниках тока. Была показана возможность применения таких структур в различных электрохимических областях [He, ChemElectroChem, 2021; Sahoo, Journal of Energy Storage, 2022]. В приведённых обзорных работах отмечается, что углеродные наностенки могут быть выращены на подложках различной формы, в том числе в проточных реакторах, что значительно расширяет возможности их использования.
Ранее нами было проведено исследование возможности использования таких структур в качестве электродов для Li-ионных источников [Krivchenko, Carbon, 2012; Mironovich, Journal of Materials Chemistry A, 2017], суперконденсаторов [Evlashin, Scientific Reports, 2019; Evlashin, The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020; Bondareva, Electrochimica Acta, 2025], электродов в реакциях восстановления кислорода [Evlashin, Journal of Electroanalytical Chemistry, 2024], а также в качестве основы для окисления муравьиной кислоты [Podlovchenko, Journal of Electroanalytical Chemistry, 2015; Maksimov, Mendeleev Communications, 2017; Podlovchenko, Electrochimica Acta, 2012]. В опубликованных в рамках проекта работах мы показали, что использование плазмы (постоянного тока и индуктивно связанной плазмы) позволяет существенно увеличить удельную ёмкость полученных структур, а также изменить каталитическую активность в реакциях восстановления кислорода. Также впервые было продемонстрировано, что применение высокоэнергетичных ионов эффективно модифицирует структуру углеродных наностенок, что приводит к пятикратному увеличению удельной ёмкости.
Дальнейшим шагом на пути увеличения каталитической активности таких материалов является нанесение каталитически активных материалов и сплавов. Комбинация уникальной геометрии структур и каталитической активности нанесенных материалов позволит получить электроды для реакций разложения воды, выделения кислорода и реакций восстановления кислорода. Для модификации поверхности углеродных наноматериалов будет использоваться магнетронное распыление, гальваническое замещение, а также гидротермальная обработка. Будут проведены расчеты с использованием теории функционала электронной плотности энергий взаимодействия полученных материалов с водородом, оптимизирована оптимальная структура металлических и биметаллических частиц. Данное исследование является продолжением проекта по исследованию электрохимических характеристик углеродных наностенок.
|
