Химическая активация пористого азотсодержащего углеродного наноматериала для улучшения электрохимических свойств

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.