ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 117-140
= ОБЗОР :
УДК 620.3
НАНОУГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА, МЕТОДЫ СИНТЕЗА, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ © 2015 г. А. В. Елецкий12, В. Ю. Зицерман2, Г. А. Кобзев2
Национальный исследовательский университет Московский энергетический институт 2Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: eletskii@mail.ru Поступил в редакцию 17.02.2014 г.
Обзор содержит анализ развития направлений, связанных с получением, исследованием физико-химических свойств и возможностями использования углеродных наноматериалов в системах производства, преобразования и хранения энергии. Данной работой авторы продолжают исследования проблем систематизации и аттестации численных данных для наноразмерных объектов, уделяя особое внимание свойствам углеродных структур, которые показали наибольший потенциал применения и уже заняли определенную нишу на рынке нанотехнологий. Детально рассмотрены особенности современных систем получения, преобразования и хранения энергии с точки зрения возможности использования наноуглеродных материалов в этих системах, включая зависимость параметров энергетических устройств от комплекса свойств наноматериала и деталей его структуры и технологии синтеза.
Б01: 10.7868/80040364415010032 СОДЕРЖАНИЕ
Введение.
1. Типы углеродных наноструктур и их физико-химические характеристики.
1.1. Удельная поверхность и сорбционная емкость.
1.2. Электропроводность.
1.3. Теплопроводность.
2. Современные системы получения, преобразования и хранения энергии.
2.1. Суперконденсаторы.
2.2. Солнечные элементы.
2.3. Литиевые ионные батареи.
3. Использование наноуглеродных материалов в системах получения, преобразования и хранения энергии.
3.1. Суперконденсаторы с электродами на основе наноуглерода.
3.2. Солнечные элементы с использованием наноуглеродных материалов.
3.3. Литиевые ионные батареи.
Заключение.
Приложение.
Список литературы.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы внимание теплофизиков все больше переключается на изучение свойств и физических процессов в наноразмерных объектах, о чем свидетельствуют программы многих научных конференций и содержание профильных журналов. Так, в подборку из 14 наиболее интересных докладов 9-й Азиатской конференции по теплофи-зическим свойствам [1] международный журнал International Journal of Thermophysics за 2013 год включил четыре статьи по свойствам наноматери-алов [2]. Последующая 10-я конференция [3] иллюстрирует заметный рост числа исследований, результаты которых были представлены как в рамках специальной секции Micro/Nanoscale Thermal Transport, так и в других, охватывающих свойства флюидов, новых материалов, методы измерений и др. Авторы ТВТ за прошедший 2013 год также трижды обращались к этой тематике, выявляя зависимость свойств от размерного фактора [4], специфику теплопереноса на наноуровне [5] или технологию выделения из графита тонких пленок, содержащих карбиновые структуры [6].
В своих статьях [7, 8] авторы данного обзора рассмотрели общие проблемы систематизации и аттестации численных данных для наноразмер-ных объектов, показав, как своеобразие их физических свойств отражается на процедуре подготовки справочного фонда и базы данных (БД).
При этом основное внимание было уделено свойствам углеродных наноформ — нанотрубок, гра-фена и множества структур и композитов, построенных на их основе, поскольку именно эти материалы оказались наиболее востребованы в различных приложениях. Данный обзор продолжает анализ поставленных в работах [7, 8] проблем, связывая физические свойства и эксплуатационные характеристики с анализом потенциала приложений, причем ограничиваясь сферой энергетики, наиболее близкой к теплофизике по общему подходу и методам анализа. Энергетика рассматривается как одна из наиболее перспективных сфер применения нанотехнологий, что ставит исследователей и разработчиков перед необходимостью объективной оценки возможностей новых наноматериалов. По прогнозу [9] к 2015 г. наиболее подготовленными к применению нанотехно-логий являются сферы преобразования энергии (49% рынка), ее накопления (32%) и энергосбережения (19%), причем в основном для технологий и устройств, используемых в малой энергетике. Поскольку обычные материалы, такие, как металлы, керамики и полимеры, не способны обеспечить сочетание требований, связанных с эффективным преобразованием и хранением энергии при минимальном воздействии на окружающую среду, весьма привлекательными представляются новые материалы на основе углеродных наноструктур, обладающие целым рядом уникальных свойств, к числу которых следует отнести малый удельный вес, рекордную удельную поверхность, хорошую электро- и теплопроводность, высокую химическую, термическую и механическую стабильность. Интерес мирового сообщества к исследованиям и разработкам, направленным на использование наноуглеродных материалов при создании новых систем для получения, хранения и преобразования энергии, отражен во множестве публикаций последних лет, которые обобщены, в частности, в обзорах (см., например, [10—26]). Авторы указанных публикаций приходят к выводу, что развитие этих исследований позволит решить многие проблемы, стоящие на пути изменения современной энергетики с учетом экономических и экологических факторов.
В данном обзоре детально рассмотрены особенности современных систем получения, преобразования и хранения энергии с точки зрения возможности использования наноуглеродных материалов в этих системах с учетом их структуры, физических свойств и технологии синтеза. Обзор включает три основных раздела. Первый раздел содержит в систематизированном виде данные по физико-химическим свойствам (удельная поверхность, сорбционная емкость, электро- и теплопроводность), зависящим как от вида материала, так и деталей его морфологии, наличия примесей, дефектов, метода синтеза и т.п. Все указанные фак-
торы в конечном итоге определяют рабочие параметры и жизненный цикл различных устройств: суперконденсаторов, литиевых батарей и солнечных элементов. Последующие два раздела содержат описания физических принципов, определяющих работоспособность устройств, и, конкретно, их различных модификаций, сконструированных с использованием наноматериалов и различающихся геометрией, структурой, технологическими деталями и множеством других факторов. Среди прочих материалов, представленных в обзоре, следует особо отметить таблицы, которые включают обширные сводки данных (параметры суперконденсаторов, свойства композитов на базе графена) из многих источников и дают ясное представление о достигнутом уровне исследований и потенциале применения углеродных наноструктур для задач генерации и аккумулирования электроэнергии. С учетом исключительно быстрого прогресса в области нанотехнологий можно уверенно предсказать, что рабочие параметры устройств и материалов будут безусловно улучшены в ближайшие годы и соответствующие устройства найдут заметное место на мировом рынке энергетических технологий.
1. ТИПЫ УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР И ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
В табл. 1 приведены типы углеродных наноструктур, которые рассматриваются в качестве материалов для суперконденсаторов и других систем получения, преобразования и хранения энергии [10]. Среди этих структур наиболее распространенными и изученными являются нано-структурированный углерод (активированный уголь), углеродные нанотрубки (УНТ) и графен, на которых и будет сосредоточено основное внимание в данной работы.
1.1. Удельная поверхность и сорбционная емкость. Важнейшей характеристикой наноматери-ала, определяющей возможность его эффективного использования в системах получения, преобразования и хранения энергии, является его удельная поверхность. От величины этого параметра зависит, в частности, возможность применения данного материала в качестве электрода в таких электрохимических системах преобразования и хранения энергии, как солнечные элементы, топливные элементы и суперконденсаторы. Сравним значения удельной поверхности, характеризующие различные наноуглеродные структуры. Проще всего подобную оценку провести для графена, представляющего собой слой атомарной толщины, в котором атомы углерода заполняют двухмерную гексагональную решетку (см. табл. 1). Расстояние между соседними атомами в такой решетке составляет примерно 0.14 нм, что соответ-
Таблица 1. Углеродные наноструктуры, рассматриваемые в качестве материалов для суперконденсаторов и других систем получения, хранения и преобразования энергии [10]
Материал Фуллерен Углеродные нанотрубки Графен Активированный уголь Углерод на основе карбида
Размерность Проводимость Сорбционная емкость Стоимость Структура 0 Низкая Низкая Высокая 1 Высокая Низкая Высокая 2 Высокая Высокая Умеренная I4,\ „'*.." * V/ W V* V* 3 Низкая Высокая Низкая 3 Умеренная Высокая Умеренная
ствует площади элементарного шестиугольника 5.35 х 10-16 см2. Учитывая, что масса атома углерода 2 х 10-23 г, а каждый такой атом принадлежит одновременно трем шестиугольникам, получаем, что удельная поверхность графена составляет значение £ = 1340 м2/г. Если рассматривать свободно подвешенный графеновый слой, который имеет двустороннюю поверхность, доступную для внешних частиц, видно, что для такого образца удельная поверхность имеет вдвое большее значение, около 2680 м2/г. Расстояние между слоями в графене с числом слоев n > 1 составляет 0.34 нм, так что диффузия частиц в межслоевое пространство затруднена. Поэтому величина удельной поверхности образцов графена с числом слоев n должна быть в n раз меньше оцененного значения, хотя при некоторых условиях возможно проникновение частиц в межслоевое пространство. Однако скорость такого проникновения на порядки ниже, чем скорость поступления частиц на открытую поверхность графена, поэтому учет такой возможности вряд ли имеет смысл.
Аналогичный результат дает оценка удельной поверхности углеродной нанотрубки [27], поскольку эта структура может рассматриваться как результат сворачивания графеновой плоскости в цилиндр. Однако в случае УНТ только внешн
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.