Химическая активация пористого азотсодержащего углеродного наноматериала для улучшения электрохимических свойств (продление)

Разработка новых эффективных систем накопления и хранения электрической энергии имеет критически важное значение для развития энергетики. Литий-ионные аккумуляторы занимают лидирующие позиции, однако до сих пор является актуальным разработка новых электродных материалов для создания более мощных и энергоемких литийионных аккумуляторов, которые будут способны выдержать высокие токи заряда, смогут эффективно работать свыше десятков тысяч циклов заряда-разряда при низких температурах. Недавно было показано, что в области разработки анодного материала, графитовый анодный материал можно заменить на углеродный материал с развитой поверхностью, и его энергоемкость может превышать в 2-3 раза, так как щелочные металлы могут накапливаться не только за счет их интеркаляции между графитовыми слоями, но и за счет поверхностной адсорбиции. Данные результаты привели к разработке нового направления создания литий-ионных суперконденсаторов, которые являются гибридом двойнослойного конденсатора и литий-ионного аккумулятора, с соответствующими значениями удельных энергетических и мощностных характеристик. Пористый углерод, который представляет собой трехмерный углеродный каркас из графитоподобных слоев с иерархической пористой структурой, является перспективным материалом, обладающим хорошей электрической проводимостью, физико-химической стабильностью и низкой стоимостью. Благодаря текстурным характеристикам углеродные материалы обладают хорошими емкостными и энергетическими характеристиками не только в литий-ионных аккумуляторах, но также и в более дешевых натрийионных аккумуляторах, а также в двойнослойных суперконденсаторах и псевдоконденсаторах. Графитоподобные материалы, легированные атомами азота, демонстрируют более высокий уровень удельной энергоемкости по сравнению с нелегированными материалами. Настоящий проект направлен на развитие методов синтеза и разработку подходов химической модификации пористых азотсодержащих углеродных материалов, диагностики комплексом современных физико-химических методов, а так же исследование электрохимических характеристик полученных материалов в качестве электродных материалов в литий- и натрий-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах. Для синтеза пористых азотсодержащих углеродных материалов мы планируем использовать темплатный метод газофазного осаждения из ацетонитрила и солей карбоновых кислот. Текстурными характеристиками, составом и структурой полученных материалов можно управлять, варьируя состав предшественников темплатных наночастиц и параметрами синтеза. Модификация краевых атомов углерода галогенами в определенной степени эквивалентно эффекту легирования n-типа. В настоящем проекте будет проведено фторирование, хлорирование и бромирование пористого азотсодержащего углеродного материалов с низкой концентрацией галогенов с целью улучшения их энергоемкости. Морфология, текстурные характеристики, функциональный состав образцов будут исследованы набором современных физико-химических методов, включая поверхностно чувствительный метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, и методы ультрамягкой рентгеновской спектроскопии. Будут проведены in situ рентгеноспектральные измерения взаимодействия углеродного материала с атомами щелочных металлов. Интерпретация экспериментальных данных и особенности взаимодействия азотсодержащих углеродных материалов с щелочными металлами и изменения в их электронном строении будут выявлены на основе квантово-химических расчетов. Будут проведены исследования электрохимических характеристик электродов из полученных образцов в литий- и натрий-ионных аккумуляторах и суперконденсаторах. Будут проведены электрохимические измерения при низких. Полученные результаты работы будут иметь фундаментальное значение в области изучения химии углеродных наноматериалов и процессов накопления ионов лития и натрия, а так же практический интерес в области электрохимии.