Тема: СИНТЕЗ МОДИФИЦИРОВАННЫХ И КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ИОНИСТОРОВ НА ОСНОВЕ НАНОТУБУЛЯРНЫХ МАССИВОВ АНОДНОГО ДИОКСИДА ТИТАНА

РЕФЕРАТ
Пояснительная записка 88 с., 42 рис., 6 табл., 44 источника.
ИОНИСТОРЫ, СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ, НАНОТРУБКИ ДИОКСИДА ТИТАНА, УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИ,
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ, РАСТРОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Объектом исследования являются электроды на основе нанотубулярного диоксида титана, модифицированные различными способами (термическая обработка, создание композитов с углеродными нанотрубками и частицами металлического никеля).
Цель работы - синтез и исследование модифицированных и композитных электродов на основе нанотубулярного диоксида титана.
Синтезированные образцы исследовались методом растровой электронной микроскопии и различными электрохимическими методами анализа (гальваностатический заряд-разряд, циклическая вольтамперометрия, импедансная спектроскопия).
В результате исследования получены электроды 1) Т/Т1О2-НТ; 2) УНТ/ТЮ2-НТ; 3) М/ТЮ2-НТ представляющие собой: 1) массивы Т1О2-НТ толщиной 3,5 мкм, с внутренним диаметром 70-80 нм и толщиной стенок 30¬40 нм; 2) массивы Т1О2-НТ с углеродными нанотрубками диаметром 10-30 нм и длиной от десятков нм до десятков мкм на поверхности оксидного слоя; 3) массивы Т1О2-НТ, декорированные сферическими наночастицами Ni диаметром 70-100 нм с образованием локальных конгломератов частиц до 500 нм.
Результаты работы позволили получить информацию об электрохимических характеристиках синтезированных электродов и преимуществах модификации структур Т1О2-НТ для использования их в качестве электродов ионистров.
Ионисторы - это электрохимические конденсаторы, которые существенно отличаются от обычных практически неограниченной долговечностью, более низкими потерями тока и большими значениями удельной мощности. При этом они имеют на порядок меньшие габариты. То есть это батарея нового поколения, которая сможет открыть многочисленные перспективы в энергетике. В первую очередь большой интерес к ионисторам вызван возможностью замены ими батарей, а также создания гибких источников питания большой мощности.
В качестве электродов ионисторов используются наноматериалы с высокоразвитой поверхностью. Одним из таких наноматериалов может быть нанотубулярный диоксид титана, в связи с его высокой площадью поверхности, механической прочностью, превосходными транспортными свойствами, а также многообразием способов модифицирования нанотубулярной матрицы, что способствует ее применению в различных областях микро- и наноэлектроники, например, в фото- и бетавольтаике, мемристорных устройствах памяти, литиевых аккумулятора, а также сенсибилизированных красителем солнечных элементах . В научно-образовательном центре «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета ведутся работы по изучению таких нанотубулярных матриц и в настоящей работе были использованы наработанные методики получения нанотрубок диоксида титана в целях синтеза на их основе модифицированных и композитных структур.
Таким образом, целью данной выпускной квалификационной работы является разработка методики получения таких структур на основе нанотубулярного диоксида титана, которые в дальнейшем могут использоваться в качестве электродов ионисторов, а также исследование их емкостных характеристик.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- ознакомиться с литературными данными по ионисторам, материалам электродов ионисторов, способам модификации и методам исследования таких электродов;
- синтезировать образцы с нанотубулярным слоем TiO2;
- модифицировать синтезированные образцы для получения электродов на основе TiO2-HT;
- исследовать методом растровой электронной микроскопии;
- исследовать полученные электроды электрохимическими методами анализа из научной литературы;
- проанализировать результаты исследования.

Купить

В результате выполненной работы были получены и исследованы модифицированные электроды ионисторов на основе нанотубулярных массивов диоксида титана.
В ходе работы были достигнуты следующие результаты.
Выполнен литературный обзор по ионисторам, его видам, материалам, которые могут быть использованы в качестве его электродов, а также проанализирована научная литература, по модификации и методам исследования электродов. Показана актуальность получения и модифицирования электродов на основе TiO2-HT для использования их в ионисторах.
Проведен синтез нанотубулярного диоксида титана с последующим модифицированием исходных образцов. В результате были получены: термически обработанный электрод T/TiO2-HT, композит с углеродными нанотрубками YHT/TiO2-HT, а также композит с частицами металлического никеля Ni/TiO2-HT. На основе двух термически обработанных электродов сконструирована конденсаторная сборка ионистора.
Проведены исследования методом растровой электронной микроскопии. Электрод T/TiO2-HT представляет собой однородный массив нанотрубок, равномерно распределенных на подложке Ti, толщиной 3,5 мкм с внутренним диаметром 70-80 нм, толщиной стенок 30-40 нм. YHT/TiO2-HT содержит углеродные нанотрубки диаметром 10-30 нм и длиной от десятков нм до десятков мкм, которые располагаются преимущественно на поверхности нанотубулярного диоксида титана. Ni/TiO2-HT представляет собой пористую матрицу TiO2-HT, декорированную сферическими наночастицами Ni диаметром 70-100 нм с образованием конгломератов размером до 500 нм.
Для исследования электрохимических характеристик полученных электродов в среде графического программирования LabVIEW был разработан виртуальный прибор VI GCD. Прибор реализует метод циклического гальваностатического заряда-разряда на базе модулей NI. Работоспособность разработанного виртуального прибора успешно проверена на электролитических конденсаторах фиксированной емкости.
Дополнительно проведены исследования емкостных характеристик полученных электродов методами гальваностатического заряда-разряда, циклической вольтамперометрии и импедансной спектроскопии при помощи мультизадачного электрохимического комплекса на базе потенциостостата/гальваностата Autolab 302N.
По результатам исследований методом гальваностатического заряда- разряда получены значения удельной емкости до 95.7 мкФ/см2, 384.4 мкФ/см2 и 1 мФ/см2 для электродов T/TiO2-HT, Ni/TiO2-HT и УНТ/ТЮ2-НТ соответственно. Для конденсаторной сборки ионистора из электродов T/TiO2- НТ были рассчитаны удельная емкость до 16.5 мкФ/см2, а также значения плотностей энергии и мощности до 26.2 мкВт-ч/см2 и 98.1 мкВт-ч/см2 соответственно.
Рассчитанные максимальные значения удельных емкостей электродов T/TiO2-HT и УНТ/ТЮ2-НТ по кривым циклической вольтамперометрии составили 2.5 и 4.2 мФ/см2 соответственно.
Исследования методом импедансной спектроскопии позволило получить кривые Найквиста, аппроксимированные при помощи модели эквивалентных электрических схем, на основе которых получили значения удельной емкости приблизительно 2.3 мкФ/см2 и 341 мкФ/см2 для Т/TiO2-НТ и УНТ/TiO2-НТ соответственно.
Полученные данные из разных методик согласуются друг с другом и указывают на значительное улучшение электрохимических характеристик в результате модификации электродов. Наивысшую удельную емкость из всех исследуемых структур демонстрирует электрод УНТ/TiO2-НТ.
Таким образом, цель данной выпускной квалификационной работы достигнута, а все поставленные задачи решены.

Купить