Разработка методик модификаций углеродных электродных материалов суперконденсаторов на основе графена для улучшения электрохимических характеристик

В данном проекте планируется разработка новой методики синтеза графена электрохимическим расслоением графита, на основе наработок лаборатории «Графеновые нанотехнологии», СВФУ. Будет разработан реактор, в котором электрохимическое расслоение графита будет проходить в замкнутом, расширяемом объеме, что позволит решить проблему отшелушивания крупных частиц. Замкнутый объем будет иметь стенку в виде мембраны, через который будет возможен перенос электролита, без проникновения обрабатываемого материала. Благодаря этому реакционное пространство возможно будет расширять по мере увеличения объема обрабатываемого материала, а также перемешивать графитовый порошок и обновлять электролит, что позволит равномерно обработать весь объем материала. Кроме того, в качестве прекурсора будет возможно применение графитового порошка, что позволит пропустить этап формирования твердотельных графитовых электродов и упростит технологический цикл. Будут исследованы методы обработки графитового порошка для улучшения выхода синтеза. В качестве электролитов будут использованы недорогие и нетоксичные неорганические соли. Подобраны оптимальные концентрации, время обработки, а также геометрические параметры реактора. Далее будет получен графеновый аэрогель посредством лиофилизации синтезированной водной суспензии слабо окисленного графена. Для активации и увеличения удельной площади поверхности будет применен метод быстрого джоулева нагрева. Суть данного метода заключается в быстром восстановлении окисленного графенового материала при нагреве, связанном с протеканием большого разрядного тока. При этом происходит интенсивное выделение кислородных групп в виде газообразных продуктов, что приводит к образованию пор при разрыве графеновых чешуек. Для применения данного метода наиболее пригоден именно слабо окисленный графен, т.к. в отличие от оксида графена, полученного методом Хаммерса, который является диэлектрическим материалом, обладает электрической проводимостью. Для этого будет создана установка быстрого джоулева нагрева, подобраны наиболее оптимальные параметры, позволяющие получать наибольшее увеличение удельной площади поверхности. Стоит отметить, что активация окисленных графенов в электрическом разряде является мало изученной областью и в литературе (насколько нам известно) имеется только две работы по данной теме, что обуславливает научную новизну. Использование вышеперечисленных методов позволит создать пористый углеродный материал на основе графена, который будет обладать невысокой стоимостью, простотой в производстве, возможностью масштабирования, связанной пористой структурой и большой удельной поверхностью. Полученный графеновый материал будет исследован методом спектроскопии комбинационного рассеяния света для анализа углеродной фазы материала, а также, для оценки дефектности структуры, методом сканирующей электронной микроскопии для изучения морфологии поверхности. Анализ состава поверхностных углеродных групп будет определен методом инфракрасной спектроскопии, количественный состав функциональных групп – методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Элементный состав будет определен методом энергодисперсионного анализа, исследование количества слоев и латеральных размеров чешуек графена методом атомно-силовой микроскопии. Удельная площадь поверхности и распределение пор будет определяться методом Брунауэра-Эммета-Теллера.