Окислительно-восстановительные процессы c участием графена и его производных в электрохимических системах для запасания энергииНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 11 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Окислительно-восстановительные процессы c участием графена и его производных в электрохимических системах для запасания энергии
Результаты этапа: Все поставленные в проекте задачи на 2016 год были выполнены. Текущий этап выполнения проекта был направлен на синтез оксида графена путем расслоения и окисления графита (методом Хаммерса) и его контролируемого восстановления различными методами, исследование морфологии и состава полученного графена/оксида графена, изготовление электродов на основе графена/ оксида графена и исследование электрохимического поведения оксида графена с разной степенью восстановления в апротонных растворителях. Для понимания механизмов окислительно-восстановительных реакций в графене/оксиде графена были также проведены модельные эксперименты по окислению графена, синтезированного газофазным методом на медной фольге. Для этого были разработаны метод локальной обработки графена атомарным кислородом и метод фотокаталитического окисления графена при УФ-облучении с использованием наночастиц ZnO. На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы: 1. Модифицированным методом Хаммерcа синтезирован оксид графена. Вариации условий дальнейшго восстановления ОГ до ВОГ позволяют контролировать соотношение C:O в получаемых образцах. 2. Из золей полученного ОГ/ВОГ приготовлены электроды и изучена их электрохимическая активность в апротонных электролитах. Показано, что ОГ с разной степенью восстановления демонстрирует электрохимическую активность, участвуя в окислительно-восстановительных реакциях в интервале потенциалов от 2 до 4 В отн. Li+/Li. Протекающие окислительно-восстановительные процессы изменяют свойства электродов. После нескольких десятков циклов редокс процесса активность электродов снижается. 3. Проведены модельные эксперименты по окислению графена, синтезированного газофазным методом на медной фольге. Для этого были разработаны метод обработки графена атомарным кислородом и метод фотокаталитического окисления графена при УФ-облучении с использованием наночастиц ZnO. Было установлено, что окисление графена происходит неоднородно. В первую очередь, процесс протекает в местах дефектов исходного графена, таких как границы зерен, вакансии, приводя преимущественно к образованию эпоксидных групп.
2 9 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Окислительно-восстановительные процессы c участием графена и его производных в электрохимических системах для запасания энергии
Результаты этапа: Все поставленные в проекте задачи на 2017 год были выполнены. Текущий этап проекта был направлен на исследование редокс-процессов с графеном/оксидом графена и исследование изменения состава функциональных групп в ходе протекающих электрохимических процессов в апротонных растворителях (ацетонитрил, диметилсульфоксид, пропиленкарбонат и 1,2-диметокисэтан) с различными фоновыми электролитами (перхлорат тетрабутиламмония, перхлорат лития), а также их устойчивости в процессе циклирования. Для понимания механизмов окислительно-восстановительных реакций в оксиде графена были проведены модельные эксперименты по восстановлению оксида графена с помощью хорошо контролируемого метода инжекции носителей заряда электронным пучком, который позволяет исследовать электрохимические процессы с высоким пространственным разрешением (несколько нм). Также был проведен более детальный анализ изменения состава и количества кислородных групп в ходе модельного эксперимента по окислению 1-2 слойного графена атомарным кислородом. На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы: 1. Разработан метод локального восстановления оксида графена прямым экспонированием электронным пучком. Показано, что электронно-лучевая обработка образца в электрическом поле приводит к существенному уменьшению удельного сопротивления облученной области (7 порядков величины) по сравнению с необлученной. Значительное увеличение проводимости ОГ после облучения указывает на эффективность метода восстановления в электрическом поле. 2. Показано, что оксид графена демонстрирует электрохимическую активность в апротонных растворителях (ацетонитрил, диметилсульфоксид, смесь пропиленкарбоната и 1,2-диметокисэтана) с различными фоновыми электролитами ((C4H9)4NClO4, LiClO4) в интервале потенциалов от -2 до 1 В отн. Ag+/Ag. Протекающие окислительно-восстановительные процессы необратимы. По результатам ИК спектроскопии было установлено, что состав функциональных групп в ходе электрохимического восстановления/окисления оксида графена/ графена отличается от химического окисления/восстановления в водной среде. 3. Проведены ex-situ эксперименты по окислению CVD графена атомарным кислородом. Установлено, что исходная морфология графена влияет на состав окисленного графена: двухслойные области окисляются меньше всего, мало дефектный однослойный графен преимущественно покрыт эпоксидными группами, а то время как дефектные графеновые области представляют собой аморфный окисленный углерод с эпоксидными, карбонильными и лактонными группами.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Окислительно-восстановительные процессы c участием графена и его производных в электрохимических системах для запасания энергии
Результаты этапа: Заключительный этап проекта был направлен на приготовление электродных материалов на основе «оксида графена/серы», исследование морфологии и состава полученных композитов и исследования электрохимической активности оксида графена в процессе циклирования катода на основе композита «сера/оксид графена» в Li-S аккумуляторах. Все поставленные в проекте задачи на 2016-2018 г.г. были выполнены. На основании проделанной работы получены следующие важнейшие результаты: 1. Модифицированным методом Хаммерcа синтезирован оксид графена. Вариации условий окисления графита, а также восстановления оксида графена до восстановленного оксида графена позволили контролировать соотношение C:O в получаемых образцах. 2. Проведены модельные эксперименты по окислению графена, синтезированного газофазным методом на медной фольге. Для этого были разработаны метод обработки графена атомарным кислородом и метод фотокаталитического окисления графена при УФ-облучении с использованием наночастиц ZnO. Установлено, что исходная морфология графена влияет на состав окисленного графена: двухслойные области окисляются меньше всего, мало дефектный однослойный графен преимущественно покрыт эпоксидными группами, а то время как дефектные графеновые области представляют собой аморфный окисленный углерод с эпоксидными, карбонильными и лактонными группами. 3. Разработан метод локального восстановления оксида графена прямым экспонированием электронным пучком. Показано, что электронно-лучевая обработка образца в электрическом поле приводит к существенному уменьшению удельного сопротивления облученной области (7 порядков величины) по сравнению с необлученной. Значительное увеличение проводимости ОГ после облучения указывает на эффективность метода восстановления в электрическом поле. 4. Показано, что оксид графена/восстановленный оксид графена демонстрируют электрохимическую активность в апротонных растворителях (ацетонитрил, диметилсульфоксид, смесь пропиленкарбоната и 1,2-диметокисэтана, тетраметиленсульфон) с различными фоновыми электролитами ((C4H9)4NClO4, LiClO4) в интервале потенциалов от -3 до 1 В отн. Ag+/Ag (0 до 4 В отн. Li+/Li). Протекающие окислительно-восстановительные процессы необратимы. По результатам ИК спектроскопии было установлено, что состав функциональных групп в ходе электрохимического восстановления/окисления оксида графена/ графена отличается от химического окисления/восстановления в водной среде. 5. Растворным методом синтезированы композиты на основе серы и оксида графена различной морфологии и состава (С:O). Разработана методика определения серы в составе полученных композитов, основанная на термогравиметрическом анализе, совмещенном с масс-спектрометрией газофазных продуктов термогравиметрии. Подобран оптимальный состав композита, в котором углеродсодержащая добавка равномерно покрывает частицы серы. Установлена зависимость покрытия частиц серы от количества углеродной добавки и от соотношения C:O в ней. 6. Исследования электрохимической активности оксида графена в процессе циклирования катода на основе композита «сера/оксид графена» в Li-S аккумуляторах выявили, что оксид графена несущественно восстанавливается в рабочем диапазоне потенциалов Li-S аккумулятора (1.5 до 2.5 В отн. Li+/Li в 1М LiClO4 в тетраметиленсульфоне) по сравнению с восстановлением серы. Величина протекшего заряда в ходе восстановления оксида графена в используемом интервале потенциалов составила менее 1 мАч/г по сравнению с 900 мАч/г для композита «сера/оксид графена».

Прикрепленные к НИР результаты

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".