Пиролизованный полиакрилонитрил как перспективный электродный материал для электрохимических источников тока

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

В работе методом электроспиннинга получены нановолоконные маты полиакрилонитрила (ПАН). Методами элементного анализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии изучено влияние температуры карбонизации ПАН на объёмный и поверхностный состав пирополимеров. Методами вращающегося дискового электрода и вращающегося дискового электрода с кольцом определены каталитические свойства пирополимеров ПАН, синтезированных в температурном интервале 600–1200°C, а также композитных катализаторов ПАН/сажа, пиролизованных при температуре 900°C, в реакции электровосстановления O₂ в растворах H₂SO₄ и KOH. Методами циклической вольтамперометрии, импедансной спектроскопии и гальваностатической поляризации охарактеризованы ёмкостные свойства пирополимеров ПАН. Предложена эквивалентная электрическая схема, моделирующая электрохимический отклик пирополимеров ПАН в растворе H₂SO₄. Высказано предположение о связи каталитической активности пирополимеров ПАН с наличием в конденсированной паркетной ароматической структуре азот-углеродных связей. Подтверждена ключевая роль атомов железа при синтезе высокоактивных катализаторов реакции восстановления O₂, селективных в отношении прямой реакции с образованием H₂O. Показана возможность синтеза катализаторов реакции электровосстановления O₂ до H₂O₂ без использования металлоорганических прекурсоров. Установлена корреляция между каталитической активностью пирополимеров ПАН и их поляризационной ёмкостью в растворе 0.5М H₂SO₄. Определено, что оптимальная температура карбонизации ПАН лежит в интервале от 750 до 950°C. Показана принципиальная возможность использования пирополимеров ПАН в качестве отрицательного электрода в электрохимическом конденсаторе с сернокислым электролитом.

Авторы:

Давыдова Елена Станиславовна, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 31, elena.s.davydova@yandex.ru

Рычагов Алексей Юрьевич, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 31, rychagov69@mail.ru

Разорёнов Дмитрий Юрьевич, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 31, razar@ineos.ac.ru

Тарасевич Михаил Романович, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 31, bogd@elchen.ac.ru

Пономарёв Иван Игоревич, Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН, 119071, г. Москва, Ленинский пр-т, 31, le_mur_64@ineos.ac.ru

Пономарёв Игорь Игоревич, Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова РАН, 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 28, gagapon@ineos.ac.ru

Ключевые слова:

полиакрилонитрил, карбонизация, углеродные материалы, топливный элемент, катализ, ёмкость, суперконденсатор

Литература

1. Shindo A. Studies on graphite fibers. Osaka: Reports of the Government Industrial Research Institute, 1961. Report № 317.
2. Pat. 1110791-A United Kingdom, 161/176 X. The production of carbon fibres / Johnson W., Phillips L. N., Watt W. Publ. 24.04.1968.
3. Варшавский В. Я. Углеродные волокна. М.: Изд-во Варшавский, 2007.
4. Morgan P. Carbon fibers and their composites. Boca Raton, London; New York, Singapore: Taylor & Francis Group, 2005.
5. Gupta S., Tryk D., Bae L., Aldred W., Yeager E. // J. Appl. Electrochem. 1989. Vol. 19. P. 19–27.
6. Martins Alves M. C., Dodelet J.-P., Guay D., Ladouceur M., Tourillon G. // J. Phys. Chem. 1992. Vol. 96. P. 10898–10905.
7. Ohms D., Herzog S., Franke R., Neumann V., Wiesener K., Gamburcev S., Kaisheva A., Iliev I. // J. Power Sources. 1992. Vol. 38. P. 327–334.
8. Wu J., Higgins D., Chen Z. // ECS Trans. 2012. Vol. 50. P. 1807–1814.
9. Wu J., Park H. W., Yu A., Higgins D., Chen Z. // J. Phys. Chem. C. 2012. Vol. 116. P. 9427–9432.
10. Jeong B., Uhm S., Lee J. // ECS Trans. 2010. Vol. 33. P. 1757–1767.
11. Nakagawa N., Abdelkareem M. A., Takino D., Ishikawa T., Tsujiguchi T. // ECS Trans. 2011. Vol. 41. P. 2219–2229.
12. Gourec P., Miousse D., Tran-Van F., Dao L. H. // J. New Mater. Electrochem. Syst. 1996. Vol. 2. P. 221–226.
13. Wang K.-P., Teng H. // Carbon. 2006. Vol. 44. P. 3218–3225.
14. Ania C. O., Khomenko V., Raymundo-Pinero E., Parra J. B., Beguin F. // Adv. Funct. Mater. 2007. Vol. 17. P. 1828–1836.
15. Gavrilov N., Pasti I. A., Mitric M., Travas-Sejdic J., Citic-Marjanovic G., Mentus S. N. // J. Power Sources. 2012. Vol. 220. P. 306–316.
16. Gavrilov N., Pasti I. A., Vujkovic M., Travas-Sejdic J., Citic-Marjanovic G., Mentus S. N. // Carbon. 2012. Vol. 50. P. 3915–3927.
17. Ye S., Vijh A. K., Dao L. H. // J. Electrochem. Soc. 1996. Vol. 143. P. L7–9.
18. Пономарёв И. И., Пономарёв Ив. И., Филатов И. Ю., Филатов Ю. Н., Разорёнов Д. Ю., Волкова Ю. А., Жигалина О. М., Жигалина В. Г., Гребенёв В. В., Киселёв Н. А. // Докл. АН. 2013. Т. 448, № 6. С. 1–5.
19. Давыдова Е. С., Рычагов А. Ю., Пономарёв Ив. И., Пономарёв И. И. // Электрохимия. 2013. Т. 49, № 10. С. 1127–1128.
20. Gulyaev A. I., Rykunov V. A., Tenchurin T.Kh., Filatov Yu. N. // Plast. Massy. 2009. № 10. Р. 29–33.
21. Давыдова Е. С. // Электрохимия. 2013. Т. 49, № 8. С. 1–9.
22. Рычагов А. Ю., Вольфкович Ю. М. // Электрохимия. 2009. Т. 45, № 2. С. 323–331.
23. Schmidt T. J., Gasteiger H. A. // Handbook of fuel cells – Fundamental. Technology and Application. West Sussex: John Wiley & Sons, 2003. Vol. 2. P. 316–333.
24. Borja-Arco E., Jimenez Sandoval O., Escalante-Garcia J., Sanoval-Gonzalez A. // Intern. J. Hydrog. Energy. 2011. Vol. 36. P. 103–110.
25. Davis R. E., Horvath G. L., Tobias C. W. // Electrochim. Acta. 1967. Vol. 112. P. 287–297.
26. Нефёдов В. И. Рентгеноэлектронная спектроскопия химических соединений. М: Химия, 1984.
27. Soto G., Samano E. C., Machorro R., Castillion F. F., Farias M. H., Cota-Araiza L. // Superficies y Vacio. 2002. Vol. 15. P. 34–39.
28. Li P., Chen D., Dai Y.-C., Yuan W.-K. // Carbon. 2007. Vol. 45. P. 785–796.
29. Ye S., Vijh A. K., Dao L. H. // J. Electrochem. Soc. 1997. Vol. 144, № 1. P. 90–95.
30. Mendoza-Sanchez B., Rasche B., Nicolosi V., Grant P. S. // Carbon. 2013. Vol. 52. P. 337–346.
31. Рычагов А. Ю., Вольфкович Ю. М. // Электрохимия. 2007. Т. 43, № 11. С. 1343–1349.
32. Andreas H. A., Conway B. E. // Electrochim. Acta. 2006. Vol. 51. P. 6510–6520.
33. Eliad L., Salitra G., Pollak E., Soffer A., Aurbach D. // Langmuir. 2005. Vol. 21. P. 10615–10623.
34. Kawaguchi M., Itoh A., Yagi S., Oda H. // J. Power Sources. 2007. Vol. 172. P. 481–486.
35. Gouerec P., Talbi H., Miousse D., Tran-Van F., Dao L. H., Lee K. H. // J. Electrochem. Soc. 2001. Vol. 148. P. A94–A101.
36. Ofer D., Crook R. M., Wrighton M. S. // J. Amer. Chem. Soc. 1990. Vol. 112. P. 7869.
37. Tarasevich M. R., Sadkowski A., Yeager E. // Comprehensive treatise of electrochemistry / eds B. E. Conway, J.O'M. Bockris, E. Yeager, S. U. M. Khan, R. E. White. New York: Plenum Press, 1983. Vol. 7. P. 301–398.
38. Biddinger E. J., von Deak D., Singh D., Marsh H., Tan B., Knapke D. S., Ozkan U. S. // J. Electrochem. Soc. 2011. Vol. 158. P. B402–409.
39. Tryk D. A., Cabrera C. R., Fudjishima A., Spataru N. // Fundamental understanding of electrode processes in memory of professor Ernst B. Yeager / eds J. Prakash, D. Chu, D. Scherson, M. Enayetullah, I. Tae Bae. Pennington, New Jersey, 2005. P. 45–57.
40. Park J. H., Ju Y. W., Park S. H., Jung H. R., Yang K. S., Lee W. J. // J. Appl. Electrochem. 2009. Vol. 39. P. 1229–1236.
41. Магрупов М. А. // Успехи химии. 1981. Т. L., вып. 11. С. 2106–2131.

Журнал:

2013. Т. 13, № 3,

Рубрика:

Электрохимические конденсаторы

DOI:

https://doi.org/10.18500/1608-4039-2013-13-3-119-135

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 62)