научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОДНОГО МАТЕРИАЛА “АКТИВИРОВАННОЕ УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО–MNО2” НА ЕГО СВОЙСТВА Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОДНОГО МАТЕРИАЛА “АКТИВИРОВАННОЕ УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО–MNО2” НА ЕГО СВОЙСТВА»

ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2015, том 51, № 2, с. 193-197

НОВЫЕ ВЕЩЕСТВА, МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ

УДК 544.654.2

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОДНОГО МАТЕРИАЛА "АКТИВИРОВАННОЕ УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО-МпО2"

НА ЕГО СВОИСТВА

© 2015 г. С. И. Юсин

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, г. Новосибирск 630128, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18 Новосибирский государственный технический университет 630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 e-mail: yusin.s@ya.ru Поступила в редакцию 16.04.2014 г.

Изучено влияние условий электрохимического осаждения оксида марганца (габаритная плотность тока, концентрация раствора) на физико-химические свойства полученных углеродно — оксидных композиционных материалов (масса осаждающегося оксида марганца(ГУ), удельная емкость композита). Электрофорезом получены композиционные материалы с различным составам: до 19 массовых процентов добавки МпО2 по отношению к массе исходного активированного углеродного волокна. Удельная емкость получаемых композиционных материалов составляла от 16 до 131 Ф/г.

DOI: 10.7868/S0044185615020205

ВВЕДЕНИЕ

В качестве основы электродного материала для суперконденсаторов используются различные углеродные материалы (сажа, графит, углеродные волокна, нановолокна, нанотрубки и др.), а также оксиды и гидроксиды переходных металлов (Со304, Яи02, 1п203, Мо03, Мп0х, №(ОИ)2, и др). В настоящее время продолжается поиск новых материалов с подходящими свойствами, ведется изучение структуры электродных материалов и процессов, протекающих на их поверхности. Композиционные материалы, созданные на основе углеродных волокон и оксидов металлов и совмещающие уникальные свойства этих материалов, являются перспективными и интересными для исследователей, разрабатывающих новые электроды для химических источников электрической энергии.

В данной работе в качестве основного материала был выбран высоко электропроводный углеродный волокнистый материал, подвергшийся предварительной электрохимической активации. Активированные углеродные волокна (АУВ), полученные электрохимической обработкой [1—5] — новые и малоизученные материалы в качестве основы, на которую может наноситься оксид металла. В работах [1—6] показано, что после проведения процесса активации углеродных волокнистых материалов электрохимическим способом в раство-

ре кислоты или щелочи изменяются свойства поверхности углеродного волокна: за счет перераспределения количественного и качественного соотношения функциональных групп, числа ме-зо- и микропор, растрескивания поверхности изменяется гидрофобность, адгезия, стационарный потенциал, площадь поверхности материала, электропроводность. О влиянии количества поверхностных оксидов и кислотных функциональных групп на поверхности АУВ на емкость материала данные противоречивы: в работе [2] не было обнаружено существенного отличия значения удельной емкости активированного и неактивированного углеродного волокна; в работах [6, 7] установлено, что активация углеродных волокон в кислотах приводит к изменению значения удельной емкости материала.

В качестве наносимого соединения на АУВ представляет интерес недорогой оксид марган-ца(ГУ) [2, 5, 8—12]: это соединение сравнительно просто синтезировать без применения токсичных растворов и нагревательных элементов. Исследование электродных материалов, совмещающих уникальные свойства активированных углеродных волокон и оксида марганца(ГУ) и позволяющих накапливать значительный заряд, является интересной и актуальной задачей.

Основными способами получения композиционных материалов на основе углерода и Мп02

являются смешивание компонентов с добавлением связующего [6] и выделение соединения металла на поверхности углеродных материалов за счет химической реакции [9—13]. Так, например, химическое взаимодействие перманганата калия с солями марганца в присутствии углеродной основы приводит к образованию Мп02 на поверхности материала [9]. Оригинальным и перспективным способом получения композитных электродных материалов является электрофорез — электрохимическое нанесение оксидов и гидрок-сидов металлов на углеродные волокнистые материалы при поляризации электрода в условиях протока электролита через электрод [2, 9, 14, 15]. Варьируя условия электролиза (например, ток, потенциал, концентрацию и объем электролита, время) можно влиять на величину удельной емкости синтезируемого композиционного материала. Цель данной работы — оценить влияние условий получения (габаритной плотности тока и концентрации раствора) электрофорезом композиционного материала "АУВ—Мп02" на его свойства (удельная емкость, содержание Мп02 в композите).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Для исследования был выбран углеродный волокнистый материал (УВМ) марки ВИНН-250 со следующими исходными свойствами, изученных в работах [16, 17]: удельная электропроводность — 0.01 См/см; удельная реакционная поверхность, отнесенная к массе образца — 3000 см2/г и отнесенная к объему образца — 270 см2/см3; радиус волокна — 4.5 мкм; пористость — 0.93.

В данной работе процесс создания композиционных материалов "АУВ—Мп02" состоял из двух этапов: (1) предварительная электрохимическая обработка УВМ (активация УВМ); (2) электрофорез оксида марганца(ГУ) из раствора на АУВ.

Электрохимическая активация материала проводилась по методике, подробно описанной в работах [2, 14]: цилиндрический образец УВМ, площадью сечения 1 см2 и толщиной ~0.15 см, помещался в электрохимическую ячейку, подробно описанную в [1], через которую циркулировал раствор 0.25 М Н^04, объемом 250 мл. Пластина из перфорированного титана, плотно прилегающая к УВМ, служила токоподводом, противо-электрод — платиновая проволока. Раствор подавался со стороны токоподвода. Образец поляризовался при габаритной плотности тока 1000 А/м2 в течение первых 5 мин катодно, затем — в течение 20 мин анодно, как в работах [2, 14]. После этого

1 В данной работе габаритная плотность тока — плотность

тока, отнесенная к видимой площади поверхности образ-

ца, равной 1 см2.

образец промывался в дистиллированной воде и высушивался при 150°С до постоянного веса.

На втором этапе синтеза композиционного материала использовался электрофорез. При этом процессе частицы оксида марганца(ГУ) перемещались на поверхность АУВ из коллоидного раствора под действием электрического тока в этой же электрохимической ячейке. Коллоидный раствор Мп02 • Н20 готовился добавлением по каплям избытка перекиси водорода (3%) к раствору перманганата калия с известной концентрацией (сКМп04, М: 0.001; 0.005; 0.01) до изменения цвета раствора [2, 14, 18], свидетельствующем о полном протекании реакции:

2КМп04 + 3Н202 = 2Мп02 • Н20 + 2К0Н + 302.

Избыток перекиси водорода в растворе разлагался под действием катализатора оксида марган-ца(ГУ), поэтому в коллоидном растворе перекись водорода отсутствовала. Коллоидный раствор прямотоком пропускался через активированный углеродный материал, закрепленный в электрохимической ячейке, со скоростью, поддерживаемой на уровне ~0.02 мл/с. При электрофорезе из растворов с концентрациями Мп02 0.01 и 0.005 М через ~3.5 часа проток раствора прекращался вследствие заполнения пор АУВ осажденными частицами Мп02. За это время через АУВ проходило ~250 мл раствора. Для коллоидного раствора с концентрацией 0.001 М время электрофореза до заполнения пор АУВ составляло около 7 часов, а объем раствора ~500 мл. Для максимального заполнения АУВ были выбраны соответствующие объемы растворов. Электрофорез проводился при анодной поляризации АУВ (анафорез), как в работе [2], от источника тока Б5-49 (Россия) при различных величинах габаритной плотности тока: 50, 150 и 300 А/м2. После электрофореза образец извлекался из электрохимической ячейки и высушивался при 150°С до постоянного веса. Масса выделившегося оксида марганца(ГУ) определялась по разнице масс АУВ до и после электрофореза. Активация УВМ и электрофорез выполнялись при комнатной температуре, использовались реактивы марки "х.ч.".

Для определения емкости полученных композиционных материалов использовался метод циклической вольтамперометрии. Вольтамперо-метрические исследования проводились с использованием анализатора ЕИпз P-30SM (Россия) в трехэлектродной ячейке. Рабочий электрод готовился следующим образом: к измельченному в ступке образцу "АУВ—Мп02" добавлялась ацетиленовая сажа (10—15%) для увеличения электропроводности и вазелиновое масло (~10% по массе) в качестве связующего. Полученная пастообразная смесь наносилась на графитовый стержень диаметром 0.6 см и с изолированной цилиндриче-

ской поверхностью, и помещалась в электролит. Вспомогательным электродом служила платинированная титановая сетка. Все измерения выполнены относительно насыщенного хлорсеребря-ного электрода сравнения. Потенциалы в работе приведены относительно данного электрода сравнения. Электролитом был выбран 3.5 М раствор серной кислоты, который применялся для измерения удельной емкости активированных углеродных электродов в работах [6, 19].

Циклические вольтамперограммы снимались при подаче на рабочий электрод электрического потенциала, линейно изменяющегося во времени в интервале от 0 до 1000 мВ. Измерения проводились при скорости развертки потенциала 2, 5 и 10 мВ/с, вольтамперная кривая фиксировалась после трех циклов. На основе полученных вольтамперных кривых рассчитывалась удельная емкость материала по уравнению:

С =

уд

/

V т

где: Суд — удельная емкость композиционного материала (Ф/г), J - суммарный ток (/ = /к +/а), фиксируемый измерением по вольтамперограм-ме при 500 мВ (мА), т - масса композиционного материала "АУВ—Мп02" в рабочем электроде (г), V — скорость развертки потенциала (мВ/с).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке представлены вольтамперные кривые, полученные на композиционном материале "АУВ—Мп02", синтезированном из раствора с концентрацией Мп02 0.001 М и различной габаритной плотностью тока. Представлена также циклическая кривая, полученная на АУВ без нанесенного Мп02: наблюдается минимальное значение суммарного тока следовательно, минимальное значение

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»