НАНОМАТЕРИАЛЫ С ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДНЫХ ТРИТИТАНАТА НАТРИЯ ДЛЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НАТРИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

  • Denis P. Opra Институт химии Дальневосточного отделения РАН
  • Veniamin V. Zheleznov Институт химии Дальневосточного отделения РАН
  • Sergey L. Sinebryukhov Институт химии Дальневосточного отделения РАН
  • Alexander A. Sokolov Институт химии Дальневосточного отделения РАН
  • Anatoly B. Podgorbunsky Институт химии Дальневосточного отделения РАН
  • Sergey V. Gnedenkov Институт химии Дальневосточного отделения РАН
DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20246709.7016
Ключевые слова: натрий-ионные аккумуляторы, анод, трититанат натрия, допирование, запрещенная зона, электропроводность

Аннотация

Трититанат натрия, Na2Ti3O7, из-за подходящего потенциала электрохимической интеркаляции натрия представляет интерес как материал отрицательного электрода для создания мощных и безопасных натрий-ионных аккумуляторов. Тем не менее, Na2Ti3O7 для улучшения электропроводящих свойств требуется качественная модификация, например, допирование другими элементами и оптимизация морфологии. В рамках данной работы допированный медью в различных количествах трититанат натрия, состоящий из образованных нанотрубками и нанолистами, «микроцветков», приготовлен в одну стадию гидротермальной обработкой солей титана и меди в 10M растворе гидроксида натрия. Установлено, что в сравнении с недопированным Na2Ti3O7, образцы с примесью меди демонстрируют уменьшение ширины запрещенной зоны (примерно на 1,1 эВ) и увеличение электронной проводимости (примерно в 2,5 раза). Исследованы особенности электрохимического внедрения и извлечения ионов Na+ в допированный медью трититанат натрия. Обнаружено, что удельная емкость допированного Na2Ti3O7 при высоких плотностях тока 3С и 4С в 2,0–2,5 раза выше таковой для немодифицированного образца. При низких плотностях тока (до 0,5С) недопированный и допированные медью образцы Na2Ti3O7 обладают схожими значениями энергозапаса. Изучена кинетика носителей заряда в электродах на основе таких материалов в процессах натрирования и денатрирования. Показано, что для трититаната натрия с примесью меди реализуются меньшие значения сопротивления переносу заряда и большие величины коэффициента диффузии ионов натрия. Это способствует снижению поляризации электрода в процессах заряда/разряда, обеспечивая его увеличенную удельную емкость при высоких токовых нагрузках.

Для цитирования:

Опра Д.П., Железнов В.В., Синебрюхов С.Л., Соколов А.А., Подгорбунский А.Б., Гнеденков С.В. Наноматериалы с иерархической структурой на основе медьсодержащих производных трититаната натрия для отрицательных электродов натрий-ионных аккумуляторов. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 9. С. 53-61. DOI: 10.6060/ivkkt.20246709.7016.

Литература

Kumar Prajapati A., Bhatnagar A. // J. Energy Chem. 2023. V. 83. P. 509–540. DOI: 10.1016/j.jechem.2023.04.043.

Nurohmah A.R., Nisa S.S., Stulasti K.N.R., Yudha C.S., Suci W.G., Aliwarga K., Widiyandari H., Purwanto A. // Mater. Renew. Sustain. Energy. 2022. V. 11. N 1. P. 71–89. DOI: 10.1007/s40243-022-00208-1.

Skundin A.M., Kulova T.L., Yaroslavtsev A.B. Sodiumion batteries (a review). Russ. J. Electrochem. 2018. V. 54. N 2. P. 113–152. DOI: 10.1134/S1023193518020076.

Samigullin R.R., Zakharkin M.V., Drozhzhin O.A., Antipov E.V. // Energies. 2023. V. 16. N 7. P. 3051. DOI: 10.3390/en16073051.

Samarin A.S., Ivanov A.V., Fedotov S.S. // Clean Technol. 2023. V. 5. N 3. P. 881–900. DOI: 10.3390/cleantechnol5030044.

Nasraoui M., Urvanov S.A., Filimonenkov I.S., Mordkovich V.Z. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved., Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 89–96 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.4y.

Haynes W.M. CRC handbook of chemistry and physics. Hoboken: CRC Press. 2014. P. 2704. DOI: 10.1201/b17118.

Zhao L., Zhang T., Li W., Li T., Zhang L., Zhang X., Wang Z. // Engineering. 2022. V. 24. P. 172–183. DOI: 10.1016/j.eng.2021.08.032.

Kim E.J., Kumar P.R., Gossage Z.T., Kubota K., Hosaka T., Tatara R., Komaba S. // Chem. Sci. 2022. V. 13. N 21. P. 6121–6158. DOI: 10.1039/D2SC00946C.

Dou X., Hasa I., Saurel D., Vaalma C., Wu L., Buchholz D., Bresser D., Komaba S., Passerini S. // Mater. Today. 2019. V. 23. P. 87–104. DOI: 10.1016/j.mattod.2018.12.040.

Li N., Su D. // Carbon Energy. 2019. V. 1. N 2. P. 200–218. DOI: 10.1002/cey2.21.

Li Y., Lu Y., Adelhelm P., Titirici M.-M., Hu Y.-S. // Chem. Soc. Rev. 2019. V. 48. N 17. P. 4655–4687. DOI: 10.1039/C9CS00162J.

Kosova N.V., Shindrov A.A. // Batteries. 2019. V. 5. N 2. P. 39. DOI: 10.3390/batteries5020039.

Kubota K., Dahbi M., Hosaka T., Kumakura S., Komaba S. // Chem. Rec. 2018. V. 18. N 4. P. 459–479. DOI: 10.1002/tcr.201700057.

Piffet C., Vertruyen B., Hatert F., Cloots R., Boschini F., Mahmoud A. // J. Energy Chem. 2022. V. 65. P. 210–218. DOI: 10.1016/j.jechem.2021.05.050.

Stenina I.A., Kozina L.D., Kulova T.L., Skundin A.M., Chekannikov A.A., Yaroslavtsev A.B. // Russ. J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. N 10. P. 1235–1240. DOI: 10.1134/ S003602361610020X.

Opra D.P., Neumoin A.I., Sinebryukhov S.L., Podgorbunsky A.B., Kuryavyi V.G., Mayorov V.Y., Ustinov A.Y., Gnedenkov S.V. // Nanomaterials. 2022. V. 12. N 11. P. 1905. DOI: 10.3390/nano12111905.

Chen J., Zhou X., Mei C., Xu J., Wong C.P. // Electrochim. Acta. 2017. V. 224. P. 446–451. DOI: 10.1016/j.electacta. 2016.12.094.

An Y., Li Z., Xiang H., Huang Y., Shen J. // Open Phys. 2011. V. 9. N 6. P. 1488–1492. DOI: 10.2478/s11534-011-0072-x.

Araújo-Filho A.A., Silva F.L.R., Righi A., da Silva M.B., Silva B.P., Caetano E.W.S., Freire V.N. // J. Solid State Chem. 2017. V. 250. P. 68–74. DOI: 10.1016/j.jssc. 2017.03.017.

Podgorbunsky A.B., Opra D.P., Zheleznov V.V., Sinebryukhov S.L., Gerasimenko A.V., Ziatdinov A.M., Gnedenkov S.V. // Materialia. 2023. V. 27. P. 101640. DOI: 10.1016/j.mtla.2022.101640.

Yang T., Huang Y., Zhang J., Zhu H., Ren J., Li T., Gallington L.C., Lan S., Yang L. // J. Energy Chem. 2022. V. 73. P. 542–548. DOI: 10.1016/j.jechem.2022.06.016.

Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Neumoin A.I., Podgorbunsky A.B., Gnedenkov S.V. // ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 37–43 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.2022 6512.6552.

Perfilyeva T.I., Alekseeva A.M., Drozhzhin O.A., Antipov E.V. // Russ. J. Electrochem. 2023. V. 59. N 7. P. 481–488. DOI: 10.1134/S102319352307008X.

Kuryavyi V.G., Ustinov A.Y., Opra D.P., Zverev G.A., Kaidalova T.A. // Mater. Lett. 2014. V. 137. P. 398–400. DOI: 10.1016/j.matlet.2014.09.007.

Opra D.P., Gnedenkov S. V., Sokolov A.A., Zheleznov V.V., Voit E.I., Sushkov Y.V., Sinebryukhov S.L. // Scripta Mater. 2015. V. 107. P. 136–139. DOI: 10.1016/ j.scriptamat.2015.06.004.

Kim G.-S., Kim Y.-S., Seo H.-K., Shin H.-S. // Korean J. Chem. Eng. 2006. V. 23. N 6. P. 1037–1045. DOI: 10.1007/ s11814-006-0027-x.

Ferreira O.P., Souza Filho A.G., Mendes Filho J., Alves O.L. // J. Braz. Chem. Soc. 2006. V. 17. N 2. P. 393–402. DOI: 10.1590/S0103-50532006000200025.

You M., Kim T.G., Sung Y.-M. // Cryst. Growth Des. 2010. V. 10. N 2. P. 983–987. DOI: 10.1021/cg9012944.

Ni J., Fu S., Wu C., Zhao Y., Maier J., Yu Y., Li L. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. N 11. P. 1502568. DOI: 10.1002/ aenm.201502568.

Anwer S., Huang Y., Liu J., Liu J., Xu M., Wang Z., Chen R., Zhang J., Wu F. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. N 13. P. 11669–11677. DOI: 10.1021/acsami.7b01519.

Ko J.S., Doan-Nguyen V.V.T., Kim H.-S., Muller G.A., Serino A.C., Weiss P.S., Dunn B.S. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. N 2. P. 1416–1425. DOI: 10.1021/ acsami.6b10790.

Wang C., Yang Y., Chen Z., He C., Su J., Wen Y. // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2019. V. 30. N 9. P. 8422–8427. DOI: 10.1007/s10854-019-01159-6.

Mei J., Wang T., Qi D., Liu J., Liao T., Yamauchi Y., Sun Z. // ACS Nano. 2021. V. 15. N 8. P. 13604–13615. DOI: 10.1021/acsnano.1c04479.

Опубликован
2024-07-02
Как цитировать
Opra, D. P., Zheleznov, V. V., Sinebryukhov, S. L., Sokolov, A. A., Podgorbunsky, A. B., & Gnedenkov, S. V. (2024). НАНОМАТЕРИАЛЫ С ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДНЫХ ТРИТИТАНАТА НАТРИЯ ДЛЯ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ НАТРИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 67(9), 53-61. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20246709.7016
Выпуск
Том 67 № 9 (2024)
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы