Синтез, властивостi та застосування графенових матерiалiв, отриманих з вуглецевих нанотрубок i ацетиленової сажi
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe61.10.0909Ключові слова:
graphene oxide, reduced graphene oxide, electrocatalysis, electrode materials for oxygen electrodeАнотація
З багатошарових вуглецевих нанотрубок та ацетиленової сажi були синтезованi оксид графену i вiдновлений оксид графену. Застосовуючи вiдповiдний окислювач, можна поздовжньо “розгорнути” нанотрубки з утворенням нанострiчок оксиду графену, а потiм, впливаючи вiдновником, отримати вiдновлений оксид графену. Для вибору окислювача i вiдновника використанi стандартнi окислювально-вiдновнi потенцiали вуглецю. Рiзними фiзико-хiмiчними методами було доведено отримання графеноподiбних матерiалiв. Синтезованi продукти використанi в ролi електродного матерiалу для кисневих електродiв паливних джерел струму. Встановлено, що електрохiмiчнi характеристики електродiв з графенових матерiалiв залежать вiд окислювально-вiдновної здатностi реагентiв. Показано, що отриманi матерiали є перспективними носiями каталiзаторiв для електродiв хiмiчних джерел струму.
Посилання
F. Bidault, D.J.L. Brett, P.H. Middleton et al., Review of gas diffusion cathodes for alkaline fuel cells, J. Power Sourc. 187, 39 (2009) [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.106].
M. Soehn, M. Lebert, T. Wirth et al., Design of gas diffusion electrodes using nanocarbon, J. Power Sourc. 176, 494 (2008) [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.08.073].
C-T. Hsieh, J-Yi. Lin, and J.-L. Wei, Deposition and electrochemical activity of Pt-based bimetallic nanocatalysts on carbon nanotube electrodes, Int. J. Hydrogen Energy 34, 685 (2009) [DOI: 10.1016/j.ijhydene.2008.11.008].
X. Wang, M. Waje, and Y. Yan, NT-based electrodes with high efficiency for PEMFCs, Electrochem. Solid-State Lett. 8, A42 (2005) [DOI: 10.1149/1.1830397].
G. Wang, X. Shen, J. Yao et al., Graphene nanosheets for enhanced lithium storage in lithium ion batteries, Carbon 47, 2049 (2009) [DOI: 10.1016/j.carbon.2009.03.053].
Y. Xin, J. Liu, X. Jie et al., Preparation and electrochemical characterization of nitrogen doped graphene by microwave as supporting materials for fuel cell catalysts, Electrochim. Acta 60, 354 (2012) [DOI: 10.1016/j.electacta.2011.11.062].
Z. Lin, G. Waller, Y. Liu et al., Facile synthesis of nitrogen-doped graphene via pyrolysis of graphene oxide and urea, and its electrocatalytic activity toward the oxygen-reduction reaction, Adv. Energy Mater. 2, 884 (2012) [DOI: 10.1002/aenm.201200038].
L.T. Qu, Y. Liu, J.B. Baek et al., Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells, ACS Nano 4, 1321 (2010) [DOI: 10.1021/nn901850u].
Z.Y. Lin, M.K. Song, Y. Ding et al., Facile preparation of nitrogen-doped graphene as a metal-free catalyst for oxygen reduction reaction, Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 3381 (2012) [DOI: 10.1039/C2CP00032F].
Y. Shao, S. Zhang, C. Wang et al., Highly durable graphene nanoplatelets supported Pt nanocatalysts for oxygen reduction, J. Power Sourc. 195, 4600 (2010) [DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.02.044].
A.G. Cano-M´arquez, F.J. Rodr´ıguez-Mac´ıas, J. CamposDelgado et al., Ex-MWNTs: Graphene sheets and ribbons produced by lithium intercalation and exfoliation of carbon nanotubes, Nano Lett. 9, 1527 (2009) [DOI: 10.1021/nl803585s].
D.V. Kosynkin, W. Lu, A. Sinitskii et al., Highly conductive graphene nanoribbons by longitudinal splitting of carbon nanotubes using potassium vapor, ACS Nano 5, 968 (2011) [DOI: 10.1021/nn102326c].
A. Morelos-G´omez, S.M. Vega-D´ıaz, V.J. Gonz´alez et al., Clean nanotube unzipping by abrupt thermal expansion of molecular nitrogen: Graphene nanoribbons with atomically smooth edges ACS Nano 6, 2261 (2012) [DOI: 10.1021/nn2043252].
L. Jiao, L. Zhang, X. Wang et al., Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes, Nature 458, 877 (2009) [DOI: 10.1038/nature07919].
L. Valentini, Formation of unzipped carbon nanotubes by CF4 plasma treatment, Diamond Rel. Mater. 20, 445 (2011) [DOI: 10.1016/j.diamond.2011.01.038].
S. Mohammadi, Z. Kolahdouz, S. Darbari et al., Graphene formation by unzipping carbon nanotubes using a sequential plasma assisted processing, Carbon 52, 451 (2013) [DOI: 10.1016/j.carbon.2012.09.056].
I. Janowska, O. Ersen, T. Jacob et al., Catalytic unzipping of carbon nanotubes to few-layer graphene sheets under microwaves irradiation, Appl. Catal. A 371, 22 (2009) [DOI: 10.1016/j.apcata.2009.09.013].
S. Vadahanambi, J-H. Jung, R. Kumar et al., An ionic liquid-assisted method for splitting carbon nanotubes to produce graphene nano-ribbons by microwave radiation, Carbon 53, 391 (2013) [DOI: 10.1016/j.carbon.2012.11.029].
A.L. El´ıas, As.R. Botello-M´endez, D. Meneses-Rodr´ıguez et al., Longitudinal cutting of pure and doped carbon nanotubes to form graphitic nanoribbons using metal clusters as nanoscalpels, Nano Lett. 10, 366 (2009) [DOI: 10.1021/nl901631z].
U.K. Parashar, S. Bhandari, R.K. Srivastava et al., Single step synthesis of graphene nanoribbons by catalyst particle size dependent cutting of multiwalled carbon nanotubes, Nanoscale 3, 3876 (2011) [DOI: 10.1039/C1NR10483G].
L. Jiao, X. Wang, G. Diankov et al., Facile synthesis of high-quality graphene nanoribbons, Nat. Nanotechnol. 5, 321 (2010) [DOI: 10.1038/nnano.2010.54].
L. Xie, H. Wang, C. Jin et al., Graphene nanoribbons from unzipped carbon nanotubes: Atomic structures, Raman spectroscopy, and electrical properties, J. Am. Chem. Soc. 133, 10394 (2011) [DOI: 10.1021/ja203860a].
P. Kumar, L.S. Panchakarla, and C.N.R. Rao, Laserinduced unzipping of carbon nanotubes to yield graphene nanoribbons, Nanoscale 3, 2127 (2011) [DOI: 10.1039/C1NR10137D].
K. Kim, A. Sussman, and A. Zettl, Graphene nanoribbons obtained by electrically unwrapping carbon nanotubes, ACS Nano 4, 1362 (2010) [DOI: 10.1021/nn901782g].
A.V. Talyzin, S. Luzan, I.V. Anoshkin et al., Hydrogenation, purification, and unzipping of carbon nanotubes by reaction with molecular hydrogen: road to graphene nanoribbons, ACS Nano 5, 5132 (2011) [DOI: 10.1021/nn201224k].
M.C. Pavia, W. Xu, M.F. Proen¸ca et al., Unzipping of functionalized multiwall carbon nanotubes induced by STM, Nano Lett. 10, 1764 (2010) [DOI: 10.1021/nl100240n].
D.B. Shinde, J. Debgupta, A. Kushwaha et al., Electrochemical unzipping of multiwalled carbon nanotubes for facile synthesis of high-quality graphene nanoribbons, J. Am. Chem. Soc. 133, 4168 (2011) [DOI: 10.1021/ja1101739].
D.V. Kosynkin, A.L. Higginbotham, A. Sinitskii et al., Nature 458, 872 (2009).
S. Zhang, L. Zhu, H. Song et al., How graphene is exfoliated from graphitic materials: synergistic effect of oxidation and intercalation processes in open, semi-closed, and closed carbon systems, J. Mater. Chem. 22, 22150 (2012) [DOI: 10.1039/C2JM35139K].
Y. Zhu, S. Murali, W. Cai et al., Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications, Adv. Mater. 22, 3906 (2010) [DOI: 10.1002/adma.201001068].
S. Pei and H.-M. Cheng, The reduction of graphene oxide, Carbon 50, 3210 (2012) [DOI: 10.1016/j.carbon.2011.11.010].
M.O. Danilov, I.A. Slobodyanyuk, I.A. Rusetskii et al., Reduced graphene oxide: a promising electrode material for oxygen electrodes, J. Nanostruct. Chem. 3, 1 (2013) [DOI: 10.1186/2193-8865-3-49].
M.O. Danilov, G.Ya. Kolbasov, I.A. Rusetskii et al., Electrocatalytic properties of multiwalled carbon nanotubes-based nanocomposites for oxygen electrodes, Russ. J. Appl. Chem. 85, 1536 (2012) [DOI: 10.1134/S1070427212100084].
S.G. Bratsch, Standard electrode potentials and temperature coefficients in water at 298.15 K, J. Phys. Chem. 18, 1 (1989) [DOI: 10.1063/1.555839].
M.O. Danilov, I.A. Slobodyanyuk, I.A. Rusetskii et al., Influence of the synthesis conditions of reduced graphene oxide on the electrochemical characteristics of the oxygen electrode, Nanosci. Nanotech. Res. 2, 12 (2014) [DOI: 10.12691/nnr-2-1-3].
T. Lebedieva, V. Gubanov, G. Dovbeshko, and D. Pidhirnyi, Quantum-chemical calculation and visualization of the vibrational modes of graphene at different points of the Brillouin zone, Nanoscale Res. Lett. 10, 287 (2015) [DOI: 10.1186/s11671-015-0945-9].
K. Batrakov, P. Kuzhir, S. Maksimenko, A. Paddubskaya, S. Voronovich, T. Kaplas et al., Enhanced microwave shielding effectiveness of ultrathin pyrolytic carbon films, Appl. Phys. Lett. 103, 073117 (2013) [DOI: 10.1063/1.4818680].
G.I. Dovbeshko, V.R. Romanyuk, D.V. Pidgirnyi, V.V. Cherepanov, E.O. Andreev, V.M. Levin, P.P. Kuzhir, T. Kaplas, and Yu.P. Svirko, Optical properties of pyrolytic carbon films versus graphite and graphene, Nanoscale Res. Lett. 10, 234 (2015) [DOI: 10.1186/s11671-015-0946-8].
G.I. Dovbeshko, O.P. Gnatyuk, A.A. Nazarova, Yu.I. Sementsov, and E.D. Obraztsova, Conformation analysis of nucleic acids and proteins adsorbed on single-shell carbon nanotubes, Fulleren. Nanotub. Carbon Nanostr. 13, 393 (2005) [DOI: 10.1007/s10947-009-0142-8].
S.Ya. Brichka, G.P. Prikhod’ko, Yu.I. Sementsov, A.V. Brichka, O.P. Paschuk, and G.I. Dovbeshko, Synthesis of carbon nanotubes from a chlorine-containing precursor and their properties, Carbon 42, 2581 (2004) [DOI: 10.1016/j.carbon.2004.05.040].
P. Ganesan, P. Ramakrishnan, M. Prabu et al., Nitrogen and sulfur co-doped graphene supported cobalt sulfide nanoparticles as an efficient air cathode for zincair battery, Electrochim. Acta. 183, 63 (2015) [DOI: 10.1016/j.electacta.2015.05.182].
Y. Liu, J. Li, W. Li et al., Spinel LiMn2O4 nanoparticles dispersed on nitrogen-doped reduced graphene oxide nanosheets as an efficient electrocatalyst for aluminiumair battery, Int. J. Hydrogen Energy 40, 9225 (2015) [DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.153].
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
