Лобяк Егор Владимирович. Структура и свойства углеродных и азотсодержащих углеродных нанотрубок, синтезированных каталитическим пиролизом с использованием полимолибдатов Co, Ni, Fe

brief description

Лобяк Егор Владимирович. «Структура и свойства углеродных и азотсодержащих углеродных нанотрубок, синтезированных каталитическим пиролизом с использованием полимолибдатов Co, Ni, Fe»: диссертация ... кандидата Химических наук: 02.00.04 / Лобяк Егор Владимирович;[Место защиты: ФГБУН Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук], 2019

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ им. А.В. НИКОЛАЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
На правах рукописи
ЛОБЯК Егор Владимирович
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ И АЗОТСОДЕРЖАЩИХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК, СИНТЕЗИРОВАННЫХ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМОЛИБДАТОВ Co, Ni, Fe
02.0. 04 - физическая химия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: доктор химических наук Булушева Любовь Г еннадьевна
Новосибирск - 2018
Оглавление
Оглавление 2
Список сокращений 4
Введение 6
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1. Исторический аспект и перспективы 12
1.2. Методы синтеза УНТ 14
1.3. Способы создания катализаторов 15
1.4. Влияние носителя 16
1.5. Катализатор синтеза УНТ 17
1.6. Влияние Mo на каталитическую активность Fe, Co, и Ni 18
1.7. Кластерные металлсодержащие молекулы в синтезе УНТ 25
1.7.1 Используемые в работе полимолибдаты 30
1.8. Синтез CNx-нанотрубок на катализаторах, содержащих Мо 32
1.9. Применение УНТ и CN^-нанотрубок для получения энергии 35
1.10. Заключение и постановка задачи 38
Глава 2. Экспериментальная часть 39
02.1. Реактивы и материалы 39
02.2. Инструментальные методы исследования 39
02.3. Получение катализаторов 41
2.3.1. Синтез полимолибдатов Co, Ni и Fe 41
2.3.2. Нанесение полимолибдатов Co, Ni и Fe на MgO 43
2.3.3. Синтез катализаторов 44
02.4. ^VD синтез УНТ 44
2.4.1. Синтез УНТ и CN^-нанотрубок при постоянной температуре 44
2.4.2. Синтез УНТ и CN^-нанотрубок в условиях динамического температурного профиля 46
2.4.3 Синтез УНТ и CN^-нанотрубок методом впрыска аэрозоля 47
02.5. Методы исследования свойств углеродных материалов 48
2.5.1. Электрохимические свойства материалов в суперконденсаторе 48
2.5.2. Электрохимические свойства материалов в литий-ионном аккумуляторе .. 48
2.5.3. Измерение вольт-амперных характеристик полевой эмиссии 49
2.5.4. Измерение фотовольтаических характеристик 49
Глава 3. Результаты и их обсуждение 50
3.1. Исследование термического разложения полимолибдатов Co, Ni и Fe 50
3.1.1. Поликристаллические полимолибдаты 50
3.1.2. Полимолибдаты на носителе MgO 55
3.1.3. Заключение к разделу 56
3.2. Структура и свойства углеродных нанотрубок, синтезированных с использованием нанесенных катализаторов 58
3.2.1. Синтез УНТ при постоянном температурном профиле 58
3.2.1.1 Катализаторы Co-Mo/MgO и Ni-Mo/MgO 58
3.2.1.2 Катализаторы Fe-Mo/MgO 67
3.2.1.3 Катализаторы Co-Mo, Ni-Mo и Fe-Mo 71
3.2.2. Автоэмиссионные свойства УНТ, синтезированных на катализаторах Fe-Mo/MgO 73
3.2.3. Синтез УНТ при динамическом температурном профиле 74
3.2.4 Электрохимические свойства УНТ, синтезированных при динамическом температурном режиме 78
3.2.5 Заключение к разделу 79
3.3 Структура и свойства CNx-нанотрубок, синтезированных с использованием нанесенных катализаторов 81
3.3.1. Синтез при постоянном температурном профиле 81
3.3.1.1. Влияние катализатора на структуру и содержание азота в CNx-нанотрубках 81
3.3.1.2 Электрохимические свойства CNx-нанотрубок в суперконденсаторе 86
3.3.1.3. Электрохимические свойства CNx-нанотрубок в литий-ионном аккумуляторе 87
3.3.2. Синтез при динамическом температурном режиме 90
3.3.2.1. Влияние катализатора на структуру и состав продукта синтеза 90
3.3.2.2. Электрохимические характеристики CN^-материалов
в суперконденсаторе 101
3.3.3. Заключение к разделу 104
3.4. Синтез углеродных и CN^-нанотрубок аэрозольным CCVD-методом 106
3.4.1. Исследование структуры образцов 107
3.4.2. Фотоэлектрические характеристики гибридной структуры МУНТ/Si 110
3.4.3. Заключение к разделу 113
Заключение 114
Основные результаты и выводы 115
Список литературы 117
Благодарности 138

bibliography

Заключение
В рамках настоящей работы исследован процесс формирования каталитических частиц, образующихся при активации катализаторов на основе полимолибдатов пере¬ходных металлов путём проведения модельного эксперимента в условиях, схожих с CCVD-синтезом, но в отсутствии углеродсодержащего прекурсора. Впервые полимо- либдаты переходных металлов, представленные в работе, были использованы в каче¬стве источника каталитических частиц для синтеза УНТ и азотсодержащих УНТ. В зависимости от активного металла Fe, Ni или Co, температурного профиля реакции, углеродсодержащего прекурсора, метода доставки катализатора в реакционную зону, скоростей потоков газов и соотношения между ними образуются углеродные матери¬алы разной морфологии и структуры.
Модифицирование температурного профиля каталитического пиролиза углеводо¬родов приводит к значительному изменению структуры продукта синтеза. В динамическом температурном режиме при использовании метана и ацетонитрила MgO темплатирует образование пористого углерода, что приводит к формированию гибридного материала, содержащего азотсодержащие УНТ и пористый углерод. Такие гибридные материалы могут быть перспективными в электрохимических прило¬жениях при соблюдении баланса содержания разупорядоченного углерода и CNx-нанотрубок, а также концентрации азота в них. Продемонстрировано, что увели¬чение концентрации азота в углеродных материалах повышает электрохимическую ёмкость электродов суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов.
В СCVD-методе с аэрозольным впрыском реакционной смеси осуществлено формирование тонкой плёнки УНТ на поверхности кремния. Показано, что такие ги¬бридные материалы обладают фотовольтаическими свойствами.
Дальнейшее использование полимолибдатов переходных металлов в CCVD-синтезе может способствовать получению новых углеродных материалов с улучшенными характеристиками для применения в электрохимических или фото- вольтаических устройствах на их основе.