Введение 4
1 Обзор литературы 6
1.1 Методы послойной химической сборки тонкослойных структур 6
1.1.1 Условия послойного синтеза нанослоев неорганических соединений с
использованием растворов реагентов 7
1.2 Методы получения и исследование суспензии графена 10
1.2.1 Поверхностная активность и регулируемая амфифильность GO 13
1.2.2 Стабильность суспензии графена в зависимости от рН 14
1.2.3 Стабильность в различных растворителях 16
1.2.4 Влияние на стабильность суспензии графена поверхностно-активных
веществ 18
1.2.5 Электрическая проводимость и морфология поверхности графена в
зависимости от рН 20
1.3 Послойный синтез нанокомпозитов, содержащих графен и оксиды или
гидроксиды металлов 24
2 Методическая часть 34
2.1 Методики стандартизации поверхности подложек 34
2.2 Методики синтеза нанослоев 34
2.3 Методики получения водных суспензий графена 35
2.4 Методики исследования синтезированных слоев 37
2.5 Методики измерения электрохимических характеристик электродов
суперконденсаторов 38
3 Экспериментальная часть 41
3.1 Синтез и исследование слоев нанокомпозитов, содержащих гидратированный оксид меди и графен 41
3.2 Синтез и исследование слоев нанокомпозитов, содержащих оксид титана и графен 44
3.4 Синтез и исследование слоев нанокомпозитов, содержащих оксид
марганца и графен 47
3.5 Изучение электрохимических свойств слоев нанокомпозитов,
синтезированных на поверхности пористого никеля 49
4 Обсуждение результатов 54
Основные результаты и выводы 56
Список цитированной литературы 57
Достижения препаративной химии твердого тела, как известно, лежат в основе многих технологий получения композитных наноматериалов, которые в настоящее время находят все более широкое применение на практике. Очевидно, что дальнейшее развитие таких технологий требует создания новых методов и подходов к их синтезу.
Метод послойного синтеза (layer-by-layer) является одним из перспективных способов получения наноматериалов с заданными свойства. Он основан на проведении на поверхности подложки последовательных реакций адсорбции ионов различных неорганических или органических веществ с обязательным удалением на одной из стадий их непрореагировавшего с подложкой избытка. В результате таких реакций на поверхности формируется нанослой синтезируемого труднорастворимого вещества. При многократном повторении адсорбции толщина этого слоя возрастает пропорционально числу циклов таких обработок или, другими словами, числу циклов наслаивания. Основными преимуществами данного метода можно считать его относительную простоту и возможность нанесения слоев с контролируемыми составом и толщиной на подложки различной формы. Послойный синтез проводят в условиях “мягкой химии”, фактически при комнатной температуре, что является важным условием при получении многих термически не стойких материалов.
Целью данной работы является поиск оптимальных условий синтеза и исследование нанослоев композитов, содержащих графен и оксид одного из металлов из ряда медь, титан и марганец. Предполагается, что такие нанокомпозиты могут найти применение в качестве электродов суперконденсаторов, устройств фотовольтаики, электрохимических сенсоров и т.д. Можно ожидать, что использование графена и оксидов или гидроксидов переходных металлов приведет к возникновению синергетического эффекта, благодаря которому положительные свойства обоих материалов дополнят друг друга, а отрицательные нивелируются.
В качестве методов исследования синтезированных соединений предполагается использовать сканирующую электронную микроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния, инфракрасную спектроскопию и дифракцию рентгеновских лучей.
1. Впервые найдены условия послойного синтеза слоев нанокомпозитов, содержащих в своем составе графен и гидратированный оксид металла из ряда оксидов (гидроксидов) меди, титан, или марганец.
2. Исследование синтезированных слоев выполнено методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, ИК-Фурье спектроскопии пропускании, спектроскопии комбинационного рассеяния и дифракции рентгеновских лучей. Электрохимические свойства электродов суперконденсаторов на основе пеноникеля и синтезированных слоев изучены методами циклической вольтамперометрии и измерения гальваностатических кривых заряда-разряда.
3. Результаты исследований указывают на образование на поверхности подложек в процессе послойного синтеза слоев нанокомпозитов, состоящих из графена и наночастиц металл-кислородных соединений, причем оксид меди в составе слоя имеет морфологию наностержней диаметром примерно 10 нм и длиной до 150 нм, а металл-кислородные соединения других металлов - как наночастиц размером от 10 и до 100 нм.
4. Исследования электрохимических свойств суперконденсаторов с электродами на основе пеноникеля со слоями, синтезированными в результате 60 циклов наслаивания, показали, что при токе заряда-разряда в 1 А/г электроды со слоями графена и металл-кислородных соединений марганца имеют емкость равную 225 Ф/г, а со слоями графена и оксида меди - 760 Ф/г.
