Выпуски МФиНТ »  Том 43, выпуск 10

Электропроводные композиты на основе оксидов металлов и углеродных наноструктур

Ал. Д. Золотаренко$^{1}$, Е. П. Рудакова$^{2}$, Н. Е. Аханова$^{3,4}$, Ан. Д. Золотаренко$^{2}$, Д. В. Щур$^{2}$, М. Т. Габдуллин$^{3}$, М. Уалханова$^{4}$, Н. А. Гаврылюк$^{1}$, М. В. Чимбай$^{2}$, Ю. О. Тарасенко$^{1}$, И. В. Загорулько$^{5}$, А. Д. Золотаренко$^{2}$

$^{1}$Институт химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, ул. Генерала Наумова, 17, 03164 Киев, Украина
$^{2}$Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Академика Кржижановского, 3, 03142 Киев, Украина
$^{3}$Казахстанско-британский технический университет, ул. Толе би, 59, 050000 Алматы, Республика Казахстан
$^{4}$Казахский национальный университет имени Аль-Фараби, просп. Аль-Фараби, 71, 050040 Алматы, Республика Казахстан
$^{5}$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина

Получена: 20.07.2021. Скачать: PDF

Получены электропроводящие углеродно-оксидные композиты на основе Al$_2$O$_3$ и TiO$_2$, предназначенные для 3D-печати (CJP) и исследованы зависимости удельной проводимости полученных композитов от условий получения и типов используемых углеродных наноструктур (УНС). Методом просвечивающей электронной микроскопии исследована структура и фазовый состав образцов, а их поверхность изучена с использованием автоэмиссионного растрового электронного микроскопа. Электропроводность материалов определяли на потенциостате. Определены оптимальные условия формирования композитов на основе оксидов Al$_2$O$_3$ или TiO$_2$ с УНТ и нановолокнами путём обработки смесей в планетарном шаровом смесителе, которые идеально подходили бы для приготовления материалов для 3D-печати (CJP). Установлена зависимость электропроводности композитов от содержания углеродных наноматериалов (1–5% мас.). Показано, что добавление 3% мас. УНТ к оксидам приводит к резкому увеличению электропроводности от 5,0⋅10$^{−8}$ до 2,8⋅10$^{−4}$ См/см для Al$_2$O$_3$ и от 5,0⋅10$^{−6}$ до 2,2⋅10$^{−2}$ См/см для TiO$_2$. Доказано, что композиты на основе оксида углерода являются перспективными носителями катализаторов электродных процессов в электрохимических устройствах. Выявлено, что катализатор Pt/TiO$_2$–УНТ с содержанием УНТ 5% мас. имеет наилучшую каталитическую активность в восстановлении кислорода в моделирующем электрод-катоде топливного элемента. Технология 3D-печати (CJP) электропроводящего композита (керамика-УНТ) может быть использована для модификации керамических топливных элементов. Кроме того, использование технологии CJP позволит удешевить производство электродов для топливных элементов. Композит с 5% мас. УНТ является наиболее эффективным. Композит с содержанием УНТ 3% мас. имеет меньшее количество протяжённых углеродных структур, что обеспечивает перенос электронов, а в образцах с 15% мас. и 50% мас. УНТ низкая эффективность Pt-катализатора может быть связана с трудностями контакта реакционной среды из-за большого количество углеродного материала.

Ключевые слова: углеродные наноструктуры, нанокомпозиты углерод-керамика (Al$_2$O$_3$ и TiO$_2$), электропроводность, каталитическая активность, Pt/TiO$_2$–УНТ, 3D-печать CJP.

URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v43/i10/1417.html

PACS: 61.46.Fg, 62.23.Hj, 62.23.Pq, 81.20.Wk, 82.45.Xy

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
  1. D. V. Schur and V. A. Lavrenko, Vacuum, 44, No. 9: 897 (1993). Crossref
  2. D. V. Schur, A. Veziroglu, S. Y. Zaginaychenko, Z. A. Matysina, T. N. Veziroglu, M. T. Gabdullin, T. S. Ramazanov, An. D. Zolotarenko, and Al. D. Zolotarenko, International Journal of Hydrogen Energy, 44, No. 45: 24810 (2019). Crossref
  3. Z. A. Matysina, S. Y. Zaginajchenko, D. V. Shhur, A. D. Zolotarenko, Al. D. Zolotarenko, and T. M. Gabdullin, Alternativnaya Energetika i Ekologiya, 13–15: 37 (2017) (in Russian). Crossref
  4. Z. A. Matysina, S. Y. Zaginaichenko, D. V. Schur, T. N. Veziroglu, A. Veziroglu, M. T. Gabdullin, Al. D. Zolotarenko, and An. D. Zolotarenko, International Journal of Hydrogen Energy, 43, No. 33: 16092 (2018). Crossref
  5. Z. A. Matysina, S. Y. Zaginaichenko, D. V. Schur, Al. D. Zolotarenko, An. D. Zolotarenko, and M. T. Gabdullin, Russian Physics Journal, 61, No. 2: 253 (2018). Crossref
  6. N. S. Anikina, D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, A. D. Zolotarenko, and O. Ya. Krivushenko, Proc. of 10th International Conference ‘Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Sept. 22–28, 2007) (Sudak, Crimea, Ukraine: 2007).
  7. Z. A. Matysina, S. Yu. Zaginaychenko, and D. V. Schur, Rastvorimost Primesej v Metallakh, Splavakh, Intermetallidakh, Fulleritakh [Solubility of Impurities in Metals, Alloys, Intermetallics, Fullerites] (Dnepropetrovsk: Nauka i Obrazovanie: 2006) (in Russian).
  8. D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, A. F. Savenko, V. A. Bogolepov, N. S. Anikina, A. D. Zolotarenko, Z. A. Matysina, N. Veziroglu, and N. E. Scryabina, International Journal of Hydrogen Energy, 36, No. 1: 1143 (2011). Crossref
  9. D. V. Schur, A. D. Zolotarenko, A. D. Zolotarenko, O. P. Zolotarenko, M. V. Chimbai, N. Y. Akhanova, M. Sultangazina, and E. P. Zolotarenko, Physical Sciences and Technology, 6, No. 1–2: 46 (2019). Crossref
  10. A. A. Volodin, A. D. Zolotarenko, A. A. Bel’mesov, E. V. Gerasimova, D. V. Schur, V. R. Tarasov, S. Yu. Zaginaichenko, S. V. Doroshenko, An. D. Zolotarenko, and Al. D. Zolotarenko, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotehnologii, 12, No. 4: 705 (2014).
  11. V. A. Lavrenko, I. A. Podchernyaeva, D. V. Shchur, An. D. Zolotarenko, and Al. D. Zolotarenko, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 56, No. 9–10: 504 (2018). Crossref
  12. N. Akhanova, S. Orazbayev, M. Ualkhanova, A. Y. Perekos, A. G. Dubovoy, D. V. Schur, Al. D. Zolotarenko, An. D. Zolotarenko, N. A. Gavrylyuk, M. T. Gabdullin, and T. S. Ramazanov, Journal of Nanoscience and Nanotechnology Applications, 3, No. 3: 1 (2019). Crossref
  13. A. G. Dubovoj, A. E. Perekos, V. A. Lavrenko, Yu. M. Rudenko, T. V. Efimova, V. P. Zalustkii, T. V. Rushitskaya, A. V. Kotko, Al. D. Zolotarenko, and An. D. Zolotarenko, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotehnologii, 11, No. 1: 131 (2013) (in Russian).
  14. S. Yu. Zaginajchenko, D. V. Schur, M. T. Gabdullin, N. F. Dzhavadov, Al. D. Zolotarenko, An. D. Zolotarenko, A. D. Zolotarenko, S. H. Mamedova, G. D. Omarova, and Z. T. Mamedova, Alternativnaya Energetika i Ekologiya (ISJAEE), No. 19–21: 72 (2018) (in Russian). Crossref
  15. N. S. Anikina, O. Ya. Krivushhenko, D. V. Schur, S. Yu. Zaginajchenko, S. S. Chuprov, K. A. Mil’to, and A. D. Zolotarenko, Proc. of IX Int. Conf. ‘Hydrogen Material Science and Chemistry of Metal Hydrides’ (Sept. 5–11, 2005) (Sevastopol, Crimea, Ukraine), p. 848 (in Russian).
  16. N. S. Anikina, D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, and A. D. Zolotarenko, Proc. of 10th International Conference ‘Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Sept. 22–28, 2007) (Sudak, Crimea, Ukraine: 2007).
  17. D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, and A. D. Zolotarenko, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems. NATO Science Series, 85 (2008).
  18. D. V. Schur, Z. S. Yu., E. A. Lysenko, T. N. Golovchenko, and N. F. Javadov, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems (2008).
  19. D. V. Schur, N. S. Astratov, A. P. Pomytkin, and A. D. Zolotarenko, Trudy VIII Mezhdunarodnoj Konferentsii Vodorodnoe Materialovedenie i Himiya (Sept. 14–20, 2003) (Sudak, Crimea, Ukraine: 2003) p. 424 (in Russian).
  20. Y. M. Shul’ga, S. A. Baskakov, A. D. Zolotarenko, E. N. Kabachkov, V. E. Muradjan, D. N. Voilov, V. A. Smirnov, V. M. Martynenko, D. V. Schur, and A. P. Pomytkin, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotekhnologii, 11, No. 1: 161 (2013) (in Russian).
  21. Y. I. Sementsov, N. A. Gavriluk, G. P. Prikhod’ko, and T. A. Aleksyeyeva, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems, 327 (2008).
  22. Y. I. Sementsov, N. A. Gavrilyuk, G. P. Prikhod’ko, and A. V. Melezhyk, Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials, 757 (2007).
  23. G. P. Prihod’ko, N. A. Gavriljuk, L. V. Dijakon, N. P. Kulish, A. V. Melezhik, and Yu. I. Semencov, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotekhnologii, 4: 1081 (2006) (in Russian).
  24. Yu. I. Sementsov, T. A. Alekseeva, M. L. Pjatkovskij, and G. P. Prihod’ko, N. A. Gavrilyuk, N. T. Kartel, Yu. E. Grabovskiy, V. F. Gorchev, and A. Yu. Chunikhin, Proc. IX International conference ‘Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Sept. 9–13, 2009) (Yalta, Crimea, Ukraine: 2009), p. 782 (in Russian).
  25. I. P. Dmytrenko, N. P. Kulish, L. V. Diyakon, N. I. Belyi, L. A. Bulavin, and I. Yu. Prylutskyy, Proc. 8th Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters IWFAC (July 2–7, 2007) (Saint-Petersburg, Russia: 2007), p. 178.
  26. Yu. Sementsov, N. Gavriluk, T. Aleksyeyeva, and O. Lasarenko, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 5, No. 2: 351 (2007).
  27. Kompozyty: Pidruchnyk z ASM [Composites: A Textbook on ASM] (Eds. D. B. Miracle and S. L. Donaldson) (ASM International: The Materials Information Company: 2001).
  28. J. A. Arsecularatne and L. C. Zhang, Recent Patents on Nanotechnology, 1, No. 3: 176 (2007). Crossref
  29. D. Eder, Chem. Rev., 110, No. 3: 1348 (2010). Crossref
  30. Yu. Fan, L. Wang, J. Li, J. Li, S. Sun, F. Chen, L. Chen, and W. Jiang, Carbon, 48, No. 6: 1743 (2010). Crossref
  31. A. M. Bondar and I. Iordache, J. Optoelectron. Adv. Mater., 8, No. 2: 631 (2006).
  32. F-H. Su, Z.-Z. Zhang, K. Wang, W. Jiang. X.-H. Men, and W.-M.Liu, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37, No. 9: 1351 (2006). Crossref
  33. B. Fényi, N. Hegman, F. Wéber, P. Arató, and Cs. Balázsi, Processing and Application of Ceramics, 1, Iss. 1–2: 57 (2007). Crossref
  34. G-B. Zheng, H. Sano, and Y. Uchiyama, Composites Part B: Engineering, 42, No. 8: 2158 (2011). Crossref
  35. S. Guo, R. Sivakumar, H. Kitazawa, and Y. Kagawa, J. Am. Ceram. Soc., 90, No. 5: 1667 (2007). Crossref
  36. J. Yu, J. Fan, and B. Cheng, Journal of Power Sources, 196, No. 18: 7891 (2011). Crossref
  37. O. Yu. Ivanshina, M. E. Tamm, E. V. Gerasimova, M. P. Kochugaeva, M. N. Kirikova, S. V. Savilov, and L. V. Yashina, Inorganic Materials, 47, No. 6: 618 (2011). Crossref
  38. C. Martínez, M. Canle L., M. I. Fernández, J. A. Santaballa, and J. Faria, Applied Catalysis B: Environmental, 102: Iss. 3: 563 (2011). Crossref
  39. X. L. Li, C. Li, Y. Zhang, D. P. Chu, W. I. Milne, and H. J. Fan, Nanoscale Res. Lett., 5, 1836 (2010). Crossref
  40. L. Jiang and L. Gao, J. Mater. Chem., 15, Iss. 2: 260 (2005). Crossref
  41. S.-L. Shi and J. Liang, J. Appl. Phys., 101: 023708 (2007). Crossref
  42. Z.-S. Wu, G. Zhou, L.-C. Yin, W. Ren, F. Li, and H.-M. Cheng, Nano Energy, 1, Iss. 1:107 (2012). Crossref
  43. P. Yu. Butyagin and A. N. Streletskii, Physics of the Solid State, 47: 856 (2005). Crossref

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© 2000–2021 «Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины»