ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАННОГО МОЛИБДЕНОМ ТВЕРДОГО УГЛЕРОДА: СИНТЕЗ И ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ
Аннотация
Твердый углерод является одним из наиболее перспективных кандидатов на роль отрицательного электрода для натрий-ионных аккумуляторов. В настоящее время активно ведется разработка и усовершенствование способов получения твердого углерода с целью не только обеспечить требуемые электрохимические показатели, но снизить себестоимость и затраты при производстве. В работе предложен способ получения новых функциональных материалов на основе твердого углерода, легированного молибденом. В роли углеродного предшественника использовано вискозное волокно, к достоинствам которого относятся доступность и дешевизна, что обеспечивает возможность масштабирования технологии. Источником молибдена выступал раствор молибдата аммония. Синтез включает следующие основные стадии: пропитка волокна раствором молибдата аммония и отжиг при высоких температурах в защитной атмосфере. Изучена зависимость структурных параметров, удельной поверхности и выхода твердого углерода от типа исходного вискозного сырья (микроволокно, техническая нить, нетканый материал) и содержания молибдена (массовое соотношение Mo/C варьировалось в диапазоне до 5,1 %), температуры (до 1050 °С) и среды (аргон и азот) отжига. Для легированных продуктов отмечен больший выход при синтезе, почти на 10%. Показано, что легирование молибденом, за счет каталитического действия, стимулирует рост и упорядочение графитоподобных нанокластеров под действием температуры, оказывая влияние на структурообразование твердого углерода. Это приводит к снижению температуры получения твердого углерода по сравнению с аналогами. Установлено, что характер изменения удельной поверхности с ростом температуры зависит от содержания молибдена. Наименьшие показатели удельной площади поверхности обнаружены для легированных образцов, синтезированных при 1050 °С.
Для цитирования:
Саенко Н.С., Железнов В.В., Майоров В.Ю., Опра Д.П. Функциональные материалы на основе легированного молибденом твердого углерода: синтез и характеризация. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 122-130. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.7019.
Литература
Voropaeva D.Y., Novikova S.A., Yaroslavtsev A.B. Polymer electrolytes for metal-ion batteries. Usp. Khim.2020. V. 89. N 10. P. 1132–1155 (in Russian). DOI: 10.1070/RCR4956.
Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Neumoin A.I., Podgorbunsky A.B., Gnedenkov S.V. Mesoporous Na2Ti3O7 nanotube-constructed materials with hierarchical architecture: synthesis and properties. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 37–43 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6552.
Bobyleva Z.V., Drozhzhin O.A., Alekseeva A.M., Dosaev K.A., Peters G.S., Lakienko G.P., Perfilyeva T.I., Sobolev N.A., Maslakov K.I., Savilov S.V., Abakumov A.M., Antipov E.V. Caramelization as a key stage for the preparation of monolithic hard carbon with advanced performance in sodium-ion batteries. ACS Appl. Energy Mater. 2023. V. 6. N 1. P. 181–190. DOI: 10.1021/acsaem.2c02716.
Opra D.P., Neumoin A.I., Sinebryukhov S.L., Podgorbunsky A.B., Kuryavyi V.G., Mayorov V.Y., Ustinov A.Y., Gnedenkov S.V. Mosslike hierarchical architecture selfassembled by ultrathin Na2Ti3O7 nanotubes: synthesis, electrical conductivity, and electrochemical performance in sodiumion batteries. Nanomaterials. 2022. V. 12. N 11. P. 1905. DOI: 10.3390/nano12111905.
Nasraoui M., Urvanov S.A., Filimonenkov I.S., Mordkovich V.Z. Hybrid carbon materials for sodiumion battery anode. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 89–96 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.4y.
Chen X., Liu C., Fang Y., Ai X., Zhong F., Yang H., Caoet Y. Understanding of the sodium storage mechanism in hard carbon anodes. Carbon Energy. 2022. V. 4. N. 6. P. 1133–1150. DOI: 10.1002/cey2.196.
Bobyleva Z.V., Drozhzhin O.A., Dosaev K.A., Kamiya-ma A., Ryazantsev S.V., Komaba S., Antipov E.V. Un-veiling pseudocapacitive behavior of hard carbon anode materials for sodiumion batteries. Electrochim. Acta. 2020. V. 354. P. 136647. DOI: 10.1016/j.electacta.2020.136647.
Ziatdinov A.M., Skrylnik P.G., Saenko N.S. The influence of an adsorbate and edge covalent bonds on topological zero modes in few-layer nanographenes. Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. P. 26957-26968. DOI: 10.1039/c7cp03423g.
Ziatdinov A.M., Skrylnik P.G., Saenko N.S. Graphene oxide and its thermally reduced nanostructured derivatives: synthesis and comprehensive study of properties. Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. P. 133-145. DOI: 10.1134/S0036023620010210.
Castillo J., Lozano T., Garcia R., Morales-Zamudio L., Lopez-Barroso J., Lafleur P.G., Karami S., Sanchez-Valdes S., Martinez-Colunga G., Rodriguez F., Perez-Berumen C., Flores S., Garcia A. Influence of graphene‐based compounds on the mechanical toughness and thermal stability of polypropylene. J. Appl. Polym. Sci. 2020. V. 137. N 10. P. 48258. DOI: 10.1002/app.48258.
Saurel D., Orayech B., Xiao B., Carriazo D., Li X., Rojo T. From charge storage mechanism to performance: a roadmap toward high specific energy sodiumion batteries through carbon anode optimization. Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. N 17. 1703268. DOI: 10.1002/aenm.201703268.
Shen L., Shi S., Roy S., Yin X., Liu W., Zhao Y. Recent advances and optimization strategies on the electrolytes for hard carbon and p‐based sodiumion batteries. Adv. Funct. Mater. 2021. V. 31. N 4. P. 1–30. DOI: 10.1002/adfm.202006066.
Yamamoto H., Muratsubaki S., Kubota K., Fukunishi M., Watanabe H., Kim J., Komaba S. Synthesizing higher-capacity hard-carbons from cellulose for Na- and K-ion batteries. J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. N 35. P. 16844–16848. DOI: 10.1039/C8TA05203D.
Kubota K., Shimadzu S., Yabuuchi N., Tominaka S., Shiraishi S., Abreu-Sepulveda M., Komaba S. Structural analysis of sucrose-derived hard carbon and correlation with the electrochemical properties for lithium, sodium, and potassium insertion. Chem. Mater. 2020. V. 32. N 7. P. 2961–2977. DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b05235.
Chen M., Luo F., Liao Y., Liu C., Xu D., Wang Z., Liu Q., Wang D., Ye Y., Li S., Wang D., Zheng Z. Hard car-bon derived for lignin with robust and low-potential sodium ion storage. J. Electroanal. Chem. 2022. V. 919. P. 116526. DOI: 10.1016/j.jelechem.2022.116526.
Lakienko G.P., Bobyleva Z.V., Apostolova M.O., Sultanova Y.V., Dyakonov A.K., Zakharkin M.V., Sobolev N.A., Alekseeva A.M., Drozhzhin O.A., Abakumov A.M., Antipov E.V. Sosnowskyi hogweed-based hard carbons for sodiumion batteries. Batteries. 2022. V. 8. N 10. P. 131. DOI: 10.3390/batteries8100131.
Litvinskaya V.V., Khokhlova G.P., Kryazhev Yu.G. Preparation of carbon fiber sorbents based on cellulose hydrate with additives of transition metal compounds. Khim. Tverd. Topl. 2003. V. 2. P. 51–55 (in Russian).
Sisu C., Iordanescu R., Stanciu V., Stefanescu I., Vlaicu A.M., Grecu V.V. Raman spectroscopy studies of some carbon molecular sieves. Dig. J. Nanomater. Biostruct. 2016. V. 11. N 2. P. 435–442.
Saenko N.S., Ziatdinov A.M. The small-angle γ-band of the X-ray diffraction for nanographite powder and its ap-proximation by full-profile analysis Mater. Today Proc. 2018. V. 5. N 12. P. 26052–26057. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.08.028.
Zheleznov V.V., Saenko N.S., Maiorov V.Y., Ustinov A.Yu., Sokol’nitskaya T.A., Kuryavyi V.G., Shlik D.Kh., Sokolov A.A., Opra D.P. Synthesis and properties of hard carbon materials made of molybdenum-doped vis-cose fiber for negative electrodes of sodiumion batteries. Zhurn. Neorg. Khim. 2023. V. 68. N 3. P. 373–382 (in Russian). DOI: 10.1134/S0036023622602288.
Beda A., Rabuel F., Morcrette M., Knopf S., Taberna P.-L., Simon P., Matei Ghimbeu C. Hard carbon key properties allow for the achievement of high Coulombic efficiency and high volumetric capacity in Na-ion batteries. J. Mater. Chem. A. 2021. V. 9. N 3. P. 1743–1758. DOI: 10.1039/D0TA07687B.
Fujimoto H., Shiraishi M. Characterization of unordered carbon using Warren–Bodenstein’s equation. Carbon. 2001. V. 39. N 11. P. 1753–1761. DOI: 10.1016/S0008-6223(00)00308-0.
Fujimoto H. Theoretical X-ray scattering intensity of carbons with turbostratic stacking and AB stacking structures. Carbon. 2003. V. 41. N 8. P. 1585–1592. DOI: 10.1016/S0008-6223(03)00116-7.
Mu S.-J., Su Y.-C., Xiao L.-H., Liu S.-D., Hu Te, Tang H.-B. X-ray difraction pattern of graphite oxide. Chinese Phys. Lett. 2013. V. 30. N 9. P. 096101. DOI: 10.1088/0256-307X/30/9/096101.
Boruah R.K., Saikia B.K., Baruah B.P., Dey N.C. X-ray scattering study of the average polycyclic aromatic unit in Ledo coal. J. Appl. Crystallogr. 2008. V. 41. N 1. P. 27–30. DOI: 10.1107/S0021889807049655.
Biennier L., Georges R., Chandrasekaran V., Rowe B., Bataille T., Jayaram V., Reddy K.P.J., Arunan E. Char-acterization of circumstellar carbonaceous dust analogues produced by pyrolysis of acetylene in a porous graphite reactor. Carbon. 2009. V. 47. N 14. P. 3295–3305. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.07.050.
Pikus M.I., Lisenkov A.A., Kostrin D.K., Trifonov S.A. Plasma of a vacuumarc discharge for obtaining carbon-based coatings. J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 929. N 1. P. 012093. DOI: 10.1088/1742-6596/929/1/012093.
Ramos M., Galindo-Hernandez F., Arslan I., Sanders T., Dominguez J.M. Electron tomography and fractal aspects of MoS2 and MoS2/Co spheres. Sci. Rep. 2017. V. 7. N 1. P. 12322. DOI: 10.1038/s41598-017-12029-8.
Chen J., Xia Y., Yang J., Chen B. Fabrication of mono-layer MoS2/rGO hybrids with excellent tribological performances through a surfactant-assisted hydrothermal route. Appl. Phys. A. 2018. V. 124. N 6. P. 430. DOI: 10.1007/s00339-018-1843-7.
Fattakhova Z.A., Zakharova G.Z. МоО2/С composites: synthesis, properties, and formation mechanism. Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. N 4. P. 480–487. DOI: 10.1134/S0036023620040051.
