Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технических и технологических решений в области получения многослойных графенов, предназначенных для создания электродных наноматериалов накопителей энергии

Докладчик: Ткачев Алексей Григорьевич

Должность: д.т.н., профессор, заведующий кафедрой "Техника и технологии производства нанопродуктов"

Цель проекта:
Разработка новых технологий и оборудования для производства графеновых нанопластинок с высокоразвитой поверхностью (не менее 1800 м2/г), их модифицированных форм, содержащих различные поверхностные функциональные группы, и активных компонентов электродных материалов накопителей энергии конденсаторного типа с удельной энергией не менее 25 Вт•час/кг и мощностью не менее 30 кВт/кг

Основные планируемые результаты проекта:
1 Создание математической модели процесса получения многослойных графеновых материалов методом интеркалирования графита, с последующей низкотемпературной эксфолиацией. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, является расчет комплекса химических и структурных превращений, происходящих в системе графит – интеркалант на стадиях интеркалирования, расширения и эксфолиации, с привлечением данных по механизмах этих превращений.
2 Нахождение условий интеркалирования графита, обеспечивающие оптимальную степень холодного расширения интеркалированных соединений графита. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование влияния природы, концентраций и соотношений интеркалирующих реагентов, условий проведения реакций, условий и степени расширения, способность расширенных соединений к диспергированию.
3 Исследование диспергирования расширенных соединений графита в различных условиях, определение оптимальных способов диспергирования. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование процессов диспергирования расширенных соединений графита различными физическими методами (ультразвук, деформация сдвига, кавитационное воздействие, микроволновое воздействие), исследование влияния методов и условий диспергирования на морфологию образующихся нанопродуктов.
4 Исследование процессов деинтеркалирования расширенных соединений графита и способов деинтеркалирования, обеспечивающих получение графеновых нанопластинок с заданными свойствами. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование процессов гидролиза и аммонолиза расширенных соединений графита, влияния условий обработки на свойства получаемых продуктов.
5 Создание макетной установки непрерывного действия для получения ГНП. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, является объединение различных технологических стадий процессов интеркалирования, расширения и эксфолиации в технологическую цепочку, осуществляемую в аппарате непрерывного действия, с учетом полученных данных об оптимальных технологических режимах на каждой стадии.
6 Разработка и оптимизация методов структурного модифицирования (активации) расширенных соединений графита, полученных согласно описанным выше пунктам, обеспечивающих развитие удельной поверхности до 2000-3000 м2/г при высокой электро- и теплопроводности. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование процессов, происходящих в системах расширенные соединения графита – активирующий реагент в различных условиях; исследование влияния условий активации на распределение пор по размерам с целью получения электродных материалов с порами оптимального размера, доступными для ионов водных и неводных электролитов.
7 Разработка методов химического модифицирования поверхности графена путем прививки различных функциональных групп, что обеспечит следующим шагом прививку к ним электрохимически активных наноразмерных частиц и слоев (полианилина, диоксида марганца, соединений молибдена, возможно, других). Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование реакций, приводящих к изменению природы поверхности графена; в частности, исследование реакций восстановления окисных групп на поверхности графена, реакций прививки различных функциональных групп (органотитанатных, органосилановых, металлоксидных), разработка методов осаждения на поверхности графена электропроводящего полимера (полианилина) и перечисленных неорганических соединений. Это даст возможность создания гибридных источников тока, соединяющих достоинства КДЭС и химических источников тока с высокой энергоемкостью.
9 Нахождение оптимальных условий высокотемпературной обработки (2000-2500оС) графеновых материалов с целью получения бездефектных материалов, обладающих повышенной электро- и тепло-проводностью и химической стойкостью в условиях электрохимических процессов в химических источниках тока. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование влияние режимов термообработки на пористую структуру, электро- и теплопроводность полученных графеновых материалов и некоторых нанокомпозитов.
10 Разработка математической модели процессов заряд/разряд, протекающих в накопителях энергии конденсаторного типа и накопителях гибридного типа, создаваемых на основе электропроводящих графеновых нанокомпозитов с высокоразвитой поверхностью. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются комплексный учет данных о кинетике электрохимических и электрофизических процессов в исследуемых системах.
11 Разработка способов формования графеновых нанокомпозиционных материалов в виде пленок, листов и других изделий, пригодных для изготовления электродов суперконденсаторов, обладающих приемлемой механической прочностью, достаточно высокой электронной, тепловой и ионной проводимостью. Подходами, обеспечивающими решение этой задачи, являются: исследование влияния условий активации, способа получения и состава нанокомпозитов на основе графена, методов формования на механические свойства, электронную, тепловую и ионную проводимость электродов в электролитах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Графеновые наноматериалы, способы их получения, технологические режимы, разработанные в рамках данного проекта, могут быть использованы в следующих областях.
1. Создание опытно-промышленного производства графеновых нанопродуктов, их структурно- и поверхностно-модифицированных форм с заданными свойствами на базе индустриального партнера – ОАО «Завком», г. Тамбов.
2. Создание новых наноструктурных электродных материалов для конденсаторов двойного электрического слоя.
3. Разработанные ГНП и их модифицированные формы также могут найти следующие применения:
- электропроводящие добавки в полимерные материалы, пленки, покрытия;
- компоненты радиопоглощающих покрытий;
- добавки в эпоксидные, фенол-формальдегидные полимеры, усиливающие их механические свойства;
- добавки в полимерные материалы, повышающие их износостойкость, снижающие коэффициент трения;
- добавки в жидкие, твердые и консистентные смазочные материалы;
- добавки в полимерные материалы, снижающие их горючесть;
- компоненты электродных материалов для конденсаторов двойного электрического слоя и гибридных химических источников тока;
- элементы высокоскоростной наноэлектроники;
- исходные материалы для синтеза сложных нанокомпозиционных материалов;
- гибридные добавки в различные системы, состоящие из графеновых материалов и углеродных нанотрубок, на основе эффекта синергизма в этих системах;
- добавки в композиционные материалы углерод-углерод.
Потребителями ГНП, их модифицированных форм и нанокомпозитов могут быть организации, работающие в перечисленных выше областях.
Во многих случаях применение ГНП дает тот же эффект, что и углеродных нанотрубок. При этом ГНП обладают значительно более высокой электро- и теплопроводностью, а также удельной поверхностью, чем коммерческие углеродные нанотрубки. Имеются данные о синергизме при применении смеси ГНП и углеродных нанотрубок. Учитывая, что сырьем для производства ГНП согласно разрабатываемой технологии является недорогой природный графит, месторождения которого имеются в России. При надлежащей организации производства ГНП будут значительно дешевле углеродных нанотрубок и вполне конкурентоспособны на внутреннем и внешнем рынках.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения работ показано, что эксфолиация расширенных пероксосульфатных интеркалированных соединений графита является эффективным методом получения графеновых нанопластинок (ГНП). Разработанный метод позволяет получать ГНП с толщиной менее 10 графеновых слоев, что соответствует требованиям выполняемого проекта. В результате выполнения работ найдены зависимости дисперсности получаемых ГНП от природы применяемых поверхностно-активных веществ и времени ультразвуковой обработки. Выбор оптимальных ПАВ и условий ультразвуковой обработки позволяет получать наиболее тонкие ГНП (3-5 графеновых слоев), параметры которых лучше, чем требования выполняемого проекта. Установлено, что оптимальным способом эксфолиации расширенных соединений графита является гидролитическое деинтеркалирование с последующей эксфолиацией ультразвуком или в роторно-импульсном аппарате. Эксфолиация в присутствии ПАВ позволяет получать тонкие ГНП (3-5графеновых слоев), в то время как эксфолиация без ПАВ позволяет получать грубодисперсные ГНП (15-22 графеновых слоя), которые тоже могут найти применение. Выбраны наиболее перспективные методы получения активированных углеродных материалов на основе ГНП и проведены предварительные эксперименты, подтвердившие возможность получения этими методами углеродных материалов на основе модифицированных ГНП с удельной поверхностью, соответствующей требованиям выполняемого проекта. Разработан лабораторный технологический регламент получения ГНП без функциональных групп. Все результаты являются новыми и в перспективе патентоспособными.