МЕЗОПОРИСТЫЕ НАНОТРУБЧАТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ Na2Ti3O7 С ИЕРАРХИЧЕСКОЙ АРХИТЕКТУРОЙ: СИНТЕЗ И СВОЙСТВА
Аннотация
Создание материалов с иерархической структурой, имеющих значительный потенциал практического использования, является сегодня активно развивающимся направлением наноинженерии и индустрии наносистем. В настоящем исследовании разработан способ получения материалов на основе трититаната натрия, Na2Ti3O7, с иерархической двухуровневой (микро/нано) архитектурой, составленной из тонкостенных нанотрубок с внешним диаметром 6–9 нм, толщиной стенок 2–3 нм и длиной в несколько сотен нанометров. Синтез проведен в гидротермальных условиях при температуре 130 °C в течение 36 ч в сильнощелочной среде (10M водный раствор NaOH). Полученные образцы Na2Ti3O7 обладают высокоразвитой поверхностью (удельная площадь – до 314 м2/г, объем пор – до 0,54 см3/г), имеют поры с преимущественным размером в диапазоне мезопор (средний диаметр равен приблизительно 5,7 нм). Изучено фазообразование в ходе прокаливания: при 500 °C зафиксировано появление TiO2 в модификации анатаз отжиг до 350 °C не приводит к кардинальным изменениям в фазовом составе. Установлено, что в ходе термообработки при 350 °С материалы сохраняют структуру мезопористой системы, “слипания” нанотрубок не наблюдается. Продукты характеризуются относительно высокой удельной электропроводностью вплоть до 10–3 См/см при комнатной температуре, термообработка способствует ее увеличению в 3 раза. Приведенные данные позволяют заключить, что описанные иерархические пористые структуры на основе нанотрубок из Na2Ti3O7 могут иметь потенциальное применение в различных областях промышленности, включая электрохимические накопители энергии нового поколения.
Для цитирования:
Опра Д.П., Синебрюхов С.Л., Неумоин А.И., Подгорбунский А.Б., Гнеденков С.В. Мезопористые нанотрубчатые материалы на основе Na2Ti3O7 с иерархической архитектурой: синтез и свойства. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 12. С. 37-43. DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6552.
Литература
Moshnikov V.A., Gracheva I.E., Kuznezov V.V., Maximov A.I., Karpova S.S., Ponomareva A.A. Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors. J. Non. Cryst. Solids. 2010. V. 356. N 37–40. P. 2020–2025. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.06.030.
Xu Y. Chapter 19 - Hierarchical materials. In: Modern inorganic synthetic chemistry. Ed. by: R. Xu, Y. Xu. Elsevier. 2017. P. 545–574. DOI: 10.1016/B978-0-444-63591-4.00019-7.
Haider A.J., Jameel Z.N., Al-Hussaini I.H.M. Review on: titanium dioxide applications. Energy Proced. 2019. V. 157. P. 17–29. DOI: 10.1016/j.egypro.2018.11.159.
Zhang Y., Jiang Z., Huang J., Lim L.Y., Li W., Deng J., Gong D., Tang Y., Lai Y., Chen Z. Titanate and tita-nia nanostructured materials for environmental and energy applications: a review. RSC Adv. 2015. V. 5. N 97. P. 79479–79510. DOI: 10.1039/C5RA11298B.
Shikina N.V., Bessudnova E.V., Nikitin A.P., Ishchenko A.V., Rudina N.A., Selishchev D.S., Kozlov D.V., Ismagilov Z.R. Study of nanostructured TiO2 rutile with hierarchical 3D-architecture. Effect of the synthesis and calcinations temperature. J. Nanosci. Nanotechnol. 2020. V. 20. N 2. P. 1303–1314. DOI: 10.1166/jnn.2020.16977.
Zeng X., Li M., Abd El‐Hady D., Alshitari W., Al‐Bogami Abdullah S., Lu J., Amine K. Commercialization of lithium battery technologies for electric vehicles. Adv. Energy Mater. 2019. V. 9. N 27. P. 1900161. DOI: 10.1002/aenm.201900161.
Wang Y., Zhu W., Guerfi A., Kim C., Zaghib K. Roles of Ti in electrode materials for sodium-ion batteries. Front. Energy Res. 2019. V. 7. DOI: 10.3389/fenrg.2019.00028.
Wang W., Liu Y., Wu X., Wang J., Fu L., Zhu Y., Wu Y., Liu X. Advances of TiO2 as negative electrode materials for sodiumion batteries. Adv. Mater. Technol. 2018. V. 3. N 9. P. 1800004. DOI: 10.1002/admt.201800004.
Doeff M.M., Cabana J., Shirpour M. Titanate anodes for sodium ion batteries. J. Inorg. Organomet. Polym. Mater. 2014. V. 24. N 1. P. 5–14. DOI: 10.1007/s10904-013-9977-8.
Opra D.P., Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Gerasimenko A.V., Ziatdinov A.M., Sokolov A.A., Podgorbunsky A.B., Ustinov A.Yu., Kuryavyi V.G., Mayorov V.Yu., Tkachenko I.A., Sergienko V.I. En-hancing lithium and sodium storage properties of TiO2(B) nanobelts by doping with nickel and zinc. Nanomaterials. 2021. V. 11. N 7. P 1703. DOI: 10.3390/nano11071703.
Stenina I.A., Kozina L.D., Kulova T.L., Skundin A.M., Chekannikov A.A., Yaroslavtsev A.B. Synthesis and ionic conduction of sodium titanate Na2Ti3O7. J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. N 10. P. 1235-1240. DOI: 10.1134/S003602361610020X.
Dynarowska M., Kotwiński J., Leszczynska M., Marzantowicz M., Krok F. Ionic conductivity and structural properties of Na2Ti3O7 anode material. Solid State Ionics. 2017. V. 301. P. 35–42. DOI: 10.1016/j.ssi.2017.01.002.
Zima T.M., Baklanova N.I., Utkin A.V. Hydrothermal synthesis of a nanostructured TiO2-based material in the presence of chitosan. Inorg. Mater. 2012. V. 48. N 8. P. 821-826. DOI: 10.1134/S0020168512080171.
Kim G.-S., Kim Y.-S., Seo H.-K., Shin H.-S. Hydrothermal synthesis of titanate nanotubes followed by electro-deposition process. Korean J. Chem. Eng. 2006. V. 23. N 6. P. 1037–1045. DOI: 10.1007/s11814-006-0027-x.
Vervikishko D.E., Kochanova S.A., Dolzhenko A.V., Lipatova I.A., Shkolnikov E.I. Resource stability of acti-vated carbon from wood in supercapacitors with organic electrolyte. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 43–49 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.8y.
Kolesnikov S.A., Maximova D.S. Formation of physical and mechanical characteristics of carbon-carbon materials in isostatic technology for producing carbon matrix. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 11. P. 50–61 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186111.14y.
Butman M.F., Karasev N.S., Ovchinnikov N.L., Vinogradov A.V. Al30-pillared montmorillonite with enhanced textural properties due to preliminary mechanical treatment. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 12. P. 45–50. DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.5935.
Song T., Ye S., Liu H., Wang Y.-G. Self-doping of Ti3+ into Na2Ti3O7 increases both ion and electron conductivity as a high-performance anode material for sodiumion batteries. J. Alloys Compd. 2018. V. 767. P. 820–828. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.07.186.
Zhou Z., Xiao H., Zhang F., Zhang X., Tang Y. Solvothermal synthesis of Na2Ti3O7 nanowires embedded in 3D graphene networks as an anode for high-performance sodiumion batteries. Electrochim. Acta. 2016. V. 211. P. 430–436. DOI: 10.1016/j.electacta.2016.06.036.
Zhong W., Tao M., Tang W., Gao W., Yang T., Zhang Y., Zhan R., Bao S.-J., Xu M. MXene-derivative pompon-like Na2Ti3O7@C anode material for advanced sodi-um ion batteries. Chem. Eng. J. 2019. V. 378. P. 122209. DOI: 10.1016/j.cej.2019.122209.
Wang S., Cao F., Li Y., Zhang Z., Zhou D., Yang Y., Tang Z. MoS2‐coupled carbon nanosheets encapsulated on sodium titanate nanowires as super‐durable anode material for sodium‐ion batteries. Adv. Sci. 2019. V. 6. N 10. P. 1900028. DOI: 10.1002/advs.201900028.
Vattikuti S.V.P., Reddy P.A.K., NagaJyothi P.C., Shim J., Byon C. Hydrothermally synthesized Na2Ti3O7 nano-tube–V2O5 heterostructures with improved visible photo-catalytic degradation and hydrogen evolution – its photo-corrosion suppression. J. Alloys Compd. 2018. V. 740. P. 574–586. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.12.371.
Hayashi H., Nakamura T., Ebina T. Hydrothermal synthesis of sodium titanate nanosheets using a supercritical flow reaction system. J. Ceram. Soc. Japan. 2016. V. 124. N 1. P. 74–78. DOI: 10.2109/jcersj2.15186.
Xia J., Zhao H., Pang W. K., Yin Z., Zhou B., He G., Guo Z., Du Y. Lanthanide doping induced electrochemical enhancement of Na2Ti3O7 anodes for sodiumion batteries. Chem. Sci. 2018. V. 9. N 14. P. 3421–3425. DOI: 10.1039/C7SC05185A.
