Випуски МФіНТ »  Том 43, випуск 10

Електропровідні композити на основі оксидів металів та вуглецевих наноструктур

Ол. Д. Золотаренко$^{1}$, О. 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. Гаврилюк$^{1}$, М. В. Чимбай$^{2}$, Ю. О. Тарасенко$^{1}$, І. В. Загорулько$^{5}$, О. Д. Золотаренко$^{2}$

$^{1}$Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка НАН України, вул. Генерала Наумова, 17, 03164 Київ, Україна
$^{2}$Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, вул. Академіка Кржижановського, 3, 03142 Київ, Україна
$^{3}$Казахстансько-британський технічний університет, вул. Толе бі, 59, 050000 Алмати, Республіка Казахстан
$^{4}$Казахський національний університет імені Аль-Фарабі, просп. Аль-Фарабі, 71, 050040 Алмати, Республіка Казахстан
$^{5}$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна

Отримано: 20.07.2021. Завантажити: PDF

Одержано електропровідні вуглецево-оксидні композити на основі Al$_2$O$_3$ і TiO$_2$, призначені для 3D-друку (CJP), та досліджено залежності питомої провідності одержаних композитів від умов одержання та типів використовуваних вуглецевих наноструктур (ВНС). Методом просвічувальної електронної мікроскопії досліджено структуру і фазовий склад зразків, а їхню поверхню вивчено з використанням автоемісійного растрового електронного мікроскопа. Електропровідність матеріалів визначали на потенціостаті. Визначено оптимальні умови формування композитів на основі оксидів Al$_2$O$_3$ або TiO$_2$ з вуглецевими нанотрубками (ВНТ) і нановолокнами шляхом обробки сумішей у планетарному кульовому змішувачі, які ідеально підходили б для приготування матеріалів для 3D-друку (CJP). Встановлено залежність електропровідності композитів від вмісту ВНС (1–5% мас.). Показано, що додавання 3% мас. ВНТ до оксидів призводить до різкого збільшення електропровідності: від 5,0⋅10$^{−8}$ до 2,8⋅10$^{−4}$ См/см для Al$_2$O$_3$ і від 5,0⋅10$^{−6}$ до 2,2⋅10$^{−2}$ См/см для TiO$_2$. Доведено, що композити на основі оксиду вуглецю є перспективними носіями каталізаторів електродних процесів в електрохемічних пристроях. Виявлено, що каталізатор Pt/TiO$_2$–ВНТ з вмістом ВНТ 5 мас.% має найкращу каталітичну активність у відновленні кисню в моделювальному електрод-катоді паливного елемента. Технологію 3D-друку (CJP) електропровідного композиту (кераміка–ВНТ) можна використовувати для модифікації керамічних паливних елементів. Окрім того, використання технології CJP дозволить здешевити виробництво електродів для паливних елементів. Композит з 5% мас. ВНТ є найефективнішим. Композит з вмістом ВНТ 3% мас. має меншу кількість протяжних вуглецевих структур, що забезпечує перенесення електронів, а в зразках з 15% мас. та 50% мас. ВНТ низька ефективність Pt-каталізатора може бути пов’язана з труднощами контакту реакційного середовища через велику кількість вуглецевого матеріалу.

Ключові слова: вуглецеві наноструктури, нанокомпозити вуглець-кераміка (Al$_2$O$_3$ та TiO$_2$), електропровідність, каталітична активність, Pt/TiO$_2$–ВНТ, 3D-друк CJP.

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

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

ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
  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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© 2000–2021 «Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України»