Синтез, структура и электрохимические свойства гибридных металл-полимерных материалов, перспективных для топливных элементов и суперконденсаторов

Разработан и успешно применен ряд оригинальных методов получения сложных иерархически соподчиненных структур композитов на основе проводящего полимера и наночастиц металлов и оксидов металлов (PEDOT/MnO₂, PEDOT/NiO, PEDOT/PSS/MnO₂, PEDOT/WO₃,PEDOT/Ag, PEDOT/PSS/Pd). В частности, получены структуры с послойным чередованием проводящего полимера и металлических включений, полученные электрохимическим осаждением (PEDOT/NiO, PEDOT/MnO₂, PEDOT/WO₃) из простых и смешанных водно-ацетонитрильных растворов, содержащих мономер полимера (EDOT) и соль (MnSO₄, NiCl₂, Na₂WO₄); композиты, полученные проращиванием полимера через тонкодисперсные осадки оксидов металлов (PEDOT/MnO₂, PEDOT/NiO) и химическим осаждением оксида (PEDOT/MnO₂, PEDOT/PSS/MnO₂) при окислительно-восстановительном взаимодействии полимера с разбавленными растворами перманганата калия. Проведена детальная характеристика свойств ряда композитных материалов электрохимическими методами: методами циклической вольтамперомерии и гальваностатического заряжения, методом спектроскопии электрохимического импеданса. Основное внимание было уделено оценке энергозапасающих свойств (PEDOT/MnO₂, PEDOT/NiO, PEDOT/PSS/MnO₂), и каталитических свойств (PEDOT/NiO, PEDOT/Ag, PEDOT/PSS/Pd) получаемых металл-полимерных нанокомпозитных материалов. Показано, что включение оксидов металлов в пленку полимера приводит к резкому увеличению емкости композита по сравнению с исходной пленкой. Удельная электрохимическая емкость композитов PEDOT/MnO₂ составляет 220 - 310 Ф/г, а для композитов PEDOT/NiO 160 - 200 Ф/г в зависимости от содержания оксида в пленке. Изучены электрокаталитические свойства полученных композитных материалов (PEDOT/NiO, PEDOT/PSS/Pd) в отношении выбранных электрохимических реакций (окисление гидразина и окисление этанола); установлено влияние загрузки частиц металла на электрокаталитические свойства. Изучены электрохимические свойства полученных композитных материалов (PEDOT/WO₃) в растворах 0,5 М Н₂SO₄. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии проведены исследования структуры композитных материалов (PEDOT/MnO₂, PEDOT/NiO, PEDOT/PSS/MnO₂, PEDOT/Ag, PEDOT/PSS/Pd), которые позволили уточнить размеры и характер распределения металлсодержащих включений. Методами малоуглового рентгеновского рассеяния и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии поверхности и ИК-спектроскопии изучены структура и электронное состояние ионов металлов в пленках PEDOT/MnO₂, PEDOT/NiO. Получены данные о состоянии и распределении ионов марганца и никеля в составе композитных пленок в изучаемом диапазоне потенциалов. Методом послойного секционирования пленки PEDOT/MnO₂ с постепенным срезанием слоев пленки с помощью ионной пушки и мониторингом интенсивности пиков фотоэмиссии для марганца и серы в области Mn 2p3/2 и S 2p3/2 энергий изучено распределение оксида марганца по глубине пленки. Химическая структура PEDOT/MnO₂ композитов была также подтверждена исследованиями методом ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием. Методами электрохимической кварцевой микрогравиметрии и химического анализа, с использованием атомно-абсорбционной спектроскопии изучены составы композитных пленок PEDOT/MnO₂, PEDOT/PSS/MnO₂, PEDOT/NiO и стехиометрия редокс-процессов в пленках PEDOT/MnO₂.