Марганцовка и графен для суперконденсатора: Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора

Содержание

Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора

Вольтамперные характеристики суперконденсаторов с новыми электродами при разных температурах отжига

Vasil Skrypnychuk / The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020

Физики сделали водную суспензию из гидрофобного активированного восстановленного оксида графена с добавками для простой и безопасной технологии производства суперконденсаторов. Для этого они добавили в воду коллоидальный оксид кремния, оксид графена и углеродные нанотрубки. Емкость гибких конденсаторов, полученных из водной суспензии, составила 180 фарад на грамм. Статья опубликована в

The Journal of Physical Chemistry Letters.

Суперконденсаторы или ионисторы — устройства для запасания энергии с высокой емкостью, в котором классическими обкладками служит двойной электрический слой между электродом и электролитом. Их начинают применять во многих областях техники, в которых требуется накопление и высвобождение большого количества электроэнергии за короткое время, например, в дефибрилляторах или вспышках камер.

Графен обладает высокой проводимостью и высокой площадью поверхности 2630 квадратных метров на грамм и считается перспективным материалом для использования в суперконденсаторах. Ученые пытаются бороться с уменьшением площади поверхности во время производства суперконденсатора, но нанесение электрода очень зависит от того, как пересобираются отдельные листы графена из прекурсора в итоговую пористую структуру. Использование активированного восстановленного оксида графена, имеющего жесткую трехмерную структуру, отчасти решает эту проблему. Инженеры пытались улучшить качество электродов, варьируя соотношение исходных компонентов и распределение пор по размерам. Впрочем, все эти работы предполагают сложную многостадийную обработку с использованием токсичных растворителей, что затрудняет масштабирование процессов для промышленного производства.

Василий Скрипничук (Vasyl Skrypnychuk) со своими коллегами из Университета Умеа нашел простой способ получения водной суспензии активированного восстановленного оксида графена разной концентрации и измерил электрические характеристики электродов суперконденсатора из этого материала. Полученная суспензия годится для большинства промышленных методов изготовления электродов — напыление, нанесение кисточкой и лезвием. Гибкие электроды, полученные простым высушиванием суспензии, имеют высокую площадь поверхности (больше 1800 квадратных метров на грамм) и хорошую электропроводность в 800 сименс на метр.

Для того, чтобы суспензировать гидрофобные графеновые материалы, физики попробовали в качестве присадок распространенные модификаторы вязкости — коллоидальный оксид кремния и карбоксиметилированную целлюлозу, при добавлении которых получалась гелеобразная суспензия с недостаточной адгезией к подложке. Для более прочного контакта жидкости с поверхностью они добавили углеродные нанотрубки из-за их высокой электропроводности, так как полимеры — распространенные адгезионные агенты — в большинстве своем являются диэлектриками и не годятся для применения в электродах. Чтобы повысить контакт между гидрофобными и гидрофильными фазами суспензии, ученые внесли в нее оксид графена, у которого есть участки обоих типов.

Внешний вид густой суспензии

Vasil Skrypnychuk / The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020

Электронная микрофотография электрода: углеродные нанотрубки связывают частицы наполнителя

Vasil Skrypnychuk / The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020

Процесс суспензирования, предложенный физиками, включает в себя три стадии: в воду добавляют углеродные нанотрубки и оксид графена при интенсивном перемешивании в шаровой мельнице, в эту смесь вносят коллоидальный оксид кремния для настройки вязкости и стабилизации взвеси, а затем к полученной суспензии добавляют восстановленный оксид графена или измельченный активированный восстановленный оксид графена, после чего необходимо интенсивно перемешать смесь. Наилучшие характеристики для получения электрода суперконденсатора из суспензии получились при отношении активированного восстановленного оксида графена к каждой из присадок десять к одному. Полученные суспензии оставались стабильными в течение нескольких дней — заметного осадка после десяти дней не наблюдалось.

Для демонстрации описанной технологии физики нанесли водную суспензию на гибкий лист нержавеющей стали и высушили ее под вакуумным насосом. Таким образом они получили слой электрода толщиной в 100-500 микрометров. На фотографии со сканирующего электронного микроскопа ученые заметили микрометровые частицы активированного графена, связанные между собой углеродными нанотрубками. Соскоблив слой электрода со стальной подложки, они измерили площадь поверхности и распределение пор — по методу БЭТ удельная площадь электрода составила 1720 квадратных метров на грамм. Примечательно, что распределение размера пор в электроде и в порошке прекурсора восстановленного оксида графена очень похожи. Исходя из этого физики пришли к выводу, что в процессе обработки и нанесения активированного восстановленного оксида графена структура не претерпевает заметных изменений.

Для того, чтобы повысить электропроводность электрода, ученые после нанесения слоя отожгли его при 200 градусах Цельсия и показали, что количество стадий можно снизить, если наносить суспензию сразу на горячую подложку. Это воздействие приводит к восстановлению оксида графена, и появившиеся его вкрапления увеличивают электрический контакт между частицами активированного графена. Ученые оценили характеристики суперконденсатора в устройстве из двух таких электродов в щелочном и органическом — ацетонитрильный раствор тетрафторобората тетреэтиленамина — электролитах. Практически линейные кривые зарядки-разрядки подтверждают, что такие электроды работают за счет двойного электрического слоя. Наилучший образец суперконденсатора с активированным восстановленным оксидом графена показал высокую емкость: 180 фарад на грамм в щелочном электролите и 140 фарад на грамм в органическом. Эти данные хорошо согласуются с данными из предыдущей работы, в которой емкость конденсатора составила 167 фарад на грамм в том же органическом электролите.

График Рагоне, позвоялющей сравнивать разные энергозапасающие системы

wikimedia commons

Суперконденсаторы лежат в области правее литий-ионных конденсаторов

Vasil Skrypnychuk / The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020

Совсем недавно физики создали гибкий суперконденсатор на основе углеродных нанотрубок, который может растягиваться в восемь раз без потери работоспособности. А про работу суперконденсатора подробнее можно прочитать в материале «Легкий старт».

Артем Моськин

С помощью графена и DVD-привода создан суперконденсатор сверхвысокой мощности

Графен, который открыли Андрей Гейм и Константин Новоселов, может стать основой гибкого сверхмощного суперконденсатора.

Суперконденсатор, или ионистор, – это устройство, которое потенциально может заменить аккумуляторы в электронике будущего. Преимущества суперконденсатора — высокая скорость зарядки и разрядки и высокая плотность энергии. Недостаток на данном этапе — недостаточная емкость. Однако эту проблему ученые предполагают решить с помощью графена, за открытие которого физики российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию.

Ричард Канер и его группа из университета штата Калифорния в городе Лос-Анджелес (США) предложили новый способ получения графена и изучили свойства суперконденсатора на его основе. Согласно данным статьи, опубликованной в журнале Science,

оказалось, что с помощью DVD-привода из графена можно сделать гибкий ионистор, по емкости приближающийся к теоретическому пределу для графена и не теряющий своих качеств при длительном использовании.

Ионистор — это конденсатор с органическим или водным электролитом, обкладкой в котором служит двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. В связи с тем что толщина двойного электрического слоя (то есть расстояние между обкладками конденсатора) очень мала, а удельная площадь поверхности электрода очень велика, запасенная ионистором энергия оказывается выше по сравнению с обычными конденсаторами того же размера. Именно этим и определяются его уникальные свойства. Обычный конденсатор, состоящий из двух электродов в форме пластин (собственно, и называемых обкладками) из металлической фольги, разделенных диэлектриком малой толщины, имеет емкость от пикофарад до микрофарад — больше заряда накопиться на поверхности раздела «проводник-диэлектрик» не может. А в суперконденсаторах вместо фольги используется пористый углерод. Особенность этого материала в его очень высокой удельной поверхности – до тысяч кв. м на грамм, то есть в крупинке этого материала скрыта площадь нескольких стадионов. Такой суперконденсатор может накопить гораздо больше заряда: относительно небольшой аппарат (размером с банку колы) имеет емкость в несколько тысяч фарад, то есть на 10 порядков больше, чем твердотельные конденсаторы.

В этом смысле графен — идеальный кандидат в электроды. Как известно, он представляет собой одноатомный слой из атомов углерода, то есть его толщина почти нулевая, и весь он — одна большая поверхность.

«Наше исследование показало, что

новые суперконденсаторы на основе графена способны запасать те же объемы энергии, что и обычные аккумуляторы, однако заряжаются и разряжаются в 100–1000 раз быстрее»,

— подчеркнул профессор Ричард Канер.

100%

Источник графена был достаточно обычным — оксид графита, твердое вещество, в котором графитовые слои покрываются ковалентно-связанными функциональными группами кислорода. Этот окисленный графит ранее предлагали расслаивать на отдельные графеновые листы под действием ультразвука в водяном растворе. Однако полученный таким образом графен обладал пониженной электрической проводимостью, хотя и обладал прекрасными механическими и оптическими свойствами (по сравнению с полученным обычным «методом скотча», который демонстрировал Константин Новоселов).

«Ноу-хау» американских ученых состоит в «изгнании» атомов кислорода из оксида графита с помощью DVD-привода, способного записывать компакт-диски. Компакт-диск покрывали раствором оксида графита, который давал тонкую пленку при высыхании.

Затем в DVD-дисководе «графитированный» диск обрабатывали с помощью программ записи, поддерживающих технологию нанесения рисунков LightScribe.

Так оксид графита внутри пленки превращался в монослои графена, хорошо отделенные друг от друга. Гибкий ионистор, сделанный на основе этого материала, прошел длительные испытания. Оказалось, что тысяча сгибаний и разгибаний не снижают его емкость, а десять тысяч циклов зарядки-разрядки снижают ее всего на 3,5%.

За 4 месяца непрерывных тестов производительность ионистора не изменилась.

В сочетании с емкостью, сравнимой с обычными аккумуляторами, а также дешевизной технологии изобретение может стать прекрасным источником питания для гибких дисплеев и других миниатюрных электронных приборов, полагают исследователи.

Новости / Служба новостей ТПУ

Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Университета Лилля (Франция) синтезировали новый материал на основе восстановленного оксида графена для суперконденсаторов — устройств для накопления энергии. Метод модификации восстановленного оксида графена с использованием органических молекул — производных гипервалентного йода — позволил получить материал, который накапливает в 1,7 раза больше электрической энергии. Результаты исследований опубликованы в журнале Electrochimica Acta (IF: 6,215; Q1).

Фото: электроды для суперкондесатора из модифицированного rGO

Суперконденсатор — это электрохимическое устройство для накопления и отдачи электрического заряда. В отличие от аккумуляторов они в разы быстрее накапливают и отдают энергию, а также не содержат литий.

Суперконденсатор представляет собой элемент с двумя электродами, между которыми находится органический или неорганический электролит. На электроды наносится материал, накапливающий заряд. Современным трендом в науке является использование различных материалов на основе графена — одного из самых тонких и прочных материалов, известных человеку. Исследователи Томского политеха и Университета Лилля работали с дешевым и доступным материалом — восстановленным оксидом графена (rGO).

«Несмотря на перспективность, суперконденсаторы еще не так широко распространены. Для дальнейшего развития технологии необходимо повысить эффективность суперконденсаторов. Один из ключевых вызовов здесь — повышение энергоемкости.

Сделать это можно, увеличив площадь поверхность материала-накопителя, в данном случае rGO. Мы нашли простой и достаточно быстрый способ. Работали исключительно с органическими молекулами в мягких условиях, не использовали дорогие или токсичные металлы», — говорит научный руководитель работы, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников.

Восстановленный оксид графена наносится на электроды в виде порошка, в результате на электроде оказываются сотни наноразмерных слоев этого вещества. Слои стремятся агломерироваться, то есть соединиться. Чтобы увеличить площадь поверхности материала, нужно увеличить расстояние между слоями.

«Для этого мы модифицировали rGO органическими молекулами, что привело к увеличению расстояния. Незначительные различия в расстоянии между слоями позволили увеличить энергоемкость материала в 1,7 раза. То есть 1 грамм нового материала может накапливать энергию больше в 1,7 раза по сравнению с обычным rGO», — поясняет один из авторов статьи, младший научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Елизавета Свиридова.

Реакция протекала через образование активных аринов из иодониевых солей. Они вызывают интерес у ученых благодаря своей особенности создавать лишь один слой новых органических групп на поверхности материалов. Исследователи Томского политеха много лет развивают направление химии иодониевых солей.

«Реакция модификации протекает в мягких условиях при простом смешивании раствора иодониевой соли с rGO. Если сравнивать с другими методами функционализации оксида графена, то мы добились одних из самых высоких показателей по повышению энергоемкости материала»,

— говорит Елизавета Свиридова.

Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда.

Российские физики улучшили работу “конденсаторов будущего”

https://ria.ru/20190528/1554998341.html

Российские физики улучшили работу “конденсаторов будущего”

Российские физики улучшили работу “конденсаторов будущего” – РИА Новости, 28.05.2019

Российские физики улучшили работу “конденсаторов будущего”

Ученые из “Сколтеха”, МГУ и МФТИ выяснили, как можно значительно повысить емкость так называемых суперконденсаторов, соединяющих в себе преимущества обычных… РИА Новости, 28.05.2019

2019-05-28T13:11

наука

москва

московский физико-технический институт

открытия – риа наука

сколковский институт науки и технологий

нано

физика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn22.img.ria.ru/images/55536/86/555368654_0:0:1281:720_1920x0_80_0_0_de8247c1d206dcb0d40d5860c1af33c1.jpg

МОСКВА, 28 мая – РИА Новости. Ученые из “Сколтеха”, МГУ и МФТИ выяснили, как можно значительно повысить емкость так называемых суперконденсаторов, соединяющих в себе преимущества обычных аккумуляторов и конденсаторов и не имеющих их недостатков. Их выводы были опубликованы в журнале Scientific Reports.Все современные электронные гаджеты построены не только на базе полупроводниковых транзисторов, но и бесчисленного множества конденсаторов. В самом упрощенном виде, они представляют собой устройства, способные накапливать в себе электрический заряд и избирательно проводить ток. Сегодня они используются не только для фильтрации и улучшения “качества” электрических сигналов, но и в качестве ключевого компонента ячеек памяти компьютеров и постоянных запоминающих устройств. Так называемые ионисторы или суперконденсаторы, обладающие рекордно высокой плотностью запасания энергии и скоростью разрядки и зарядки, в будущем могут стать основой электроэнергетики.Подобные устройства состоят из трех компонентов – двух электродов и электролита, ионы внутри которого реагируют на появление напряжения на концах суперконденсатора. Они быстро выстраиваются особым образом внутри конденсатора или вступают в различные химические реакции с его электродами. В результате этого внутри него запасается энергия, которая высвобождается при необходимости почти неограниченное число раз.Как правило, электроды в подобных “батарейках будущего” изготовлены не из металлов, а различных пористых материалов, в том числе активированного угля. Они обладают небольшой массой, большим объемом и площадью поверхности, что позволяет сделать суперконденсаторы максимально емкими и долговечными.В последние годы ученые пытаются повысить их емкость, используя различные экзотические материалы, такие как графен или углеродные нанотрубки и наностенки, а также меняя химический состав электродов. К примеру, часть атомов углерода в электродах можно заменить на азот или другие элементы, обладающие высоким уровнем химической активности.Как передает пресс-служба “Сколтеха”, недавно российские химики заметили, что подобную операцию можно провести, если выращивать углеродные наностенки внутри плазмы, подготовленной из смеси метана, водорода и азота. Итоги этих опытов натолкнули их на мысль, что подобный материал можно использовать для изготовления ионисторов.Руководствуясь этой идеей, ученые подготовили некоторое количество “азотных” наностенок, изучили их свойства и собрали прототип суперконденсатора на их базе, поместив подобные пленки в раствор серной кислоты. Как оказалось, обработка плазмой повысила емкость этих устройств примерно в 4,5-6 раз по сравнению с обычными ионисторами на базе этого материала, и при этом она повысила их долговечность.Как предполагают ученые, аналогичным образом можно повысить емкость суперконденсаторов, изготовленных из других углеродных наноматериалов, в том числе нанотрубок и графена. Это позволит создавать чрезвычайно тонкие, гибкие и емкие “батарейки будущего”, которые можно будет встраивать в одежду и носимую электронику и использовать для зарядки и питания различных цифровых гаджетов.

https://ria.ru/20120315/596407921.html

https://ria.ru/20170204/1487065126.html

москва

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2019

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdn24.img.ria.ru/images/55536/86/555368654_136:0:1096:720_1920x0_80_0_0_990255d5e319492ffe5f2fe71dabb6b9.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

москва, московский физико-технический институт, открытия – риа наука, сколковский институт науки и технологий, нано, физика

МОСКВА, 28 мая – РИА Новости. Ученые из “Сколтеха”, МГУ и МФТИ выяснили, как можно значительно повысить емкость так называемых суперконденсаторов, соединяющих в себе преимущества обычных аккумуляторов и конденсаторов и не имеющих их недостатков. Их выводы были опубликованы в журнале Scientific Reports.

“Мы использовали углеродные структуры с большой удельной поверхностью в качестве исходного материала и заменяли часть атомов углерода на азот, который приводит к увеличению электрохимической емкости. В результате этого емкость суперконденсаторов выросла шесть раз и они начали показывать отличную стабильность в циклах зарядки-разрядки”, — заявил Станислав Евлашин, старший научный сотрудник “Сколтеха”.

Все современные электронные гаджеты построены не только на базе полупроводниковых транзисторов, но и бесчисленного множества конденсаторов. В самом упрощенном виде, они представляют собой устройства, способные накапливать в себе электрический заряд и избирательно проводить ток.

Сегодня они используются не только для фильтрации и улучшения “качества” электрических сигналов, но и в качестве ключевого компонента ячеек памяти компьютеров и постоянных запоминающих устройств. Так называемые ионисторы или суперконденсаторы, обладающие рекордно высокой плотностью запасания энергии и скоростью разрядки и зарядки, в будущем могут стать основой электроэнергетики.

15 марта 2012, 23:20НаукаФизики создали графеновый суперконденсатор, использовав DVD-дисководАмериканские физики разработали оригинальный и дешевый способ получения графена с помощью лазера DVD-привода и использовали полученную сверхгибкую пленку из “нобелевского углерода” для создания ионистора – гибрида конденсатора сверхвысокой емкости и аккумулятора.

Подобные устройства состоят из трех компонентов – двух электродов и электролита, ионы внутри которого реагируют на появление напряжения на концах суперконденсатора. Они быстро выстраиваются особым образом внутри конденсатора или вступают в различные химические реакции с его электродами. В результате этого внутри него запасается энергия, которая высвобождается при необходимости почти неограниченное число раз.

Как правило, электроды в подобных “батарейках будущего” изготовлены не из металлов, а различных пористых материалов, в том числе активированного угля. Они обладают небольшой массой, большим объемом и площадью поверхности, что позволяет сделать суперконденсаторы максимально емкими и долговечными.

В последние годы ученые пытаются повысить их емкость, используя различные экзотические материалы, такие как графен или углеродные нанотрубки и наностенки, а также меняя химический состав электродов. К примеру, часть атомов углерода в электродах можно заменить на азот или другие элементы, обладающие высоким уровнем химической активности.

Как передает пресс-служба “Сколтеха”, недавно российские химики заметили, что подобную операцию можно провести, если выращивать углеродные наностенки внутри плазмы, подготовленной из смеси метана, водорода и азота. Итоги этих опытов натолкнули их на мысль, что подобный материал можно использовать для изготовления ионисторов.

Руководствуясь этой идеей, ученые подготовили некоторое количество “азотных” наностенок, изучили их свойства и собрали прототип суперконденсатора на их базе, поместив подобные пленки в раствор серной кислоты. Как оказалось, обработка плазмой повысила емкость этих устройств примерно в 4,5-6 раз по сравнению с обычными ионисторами на базе этого материала, и при этом она повысила их долговечность.

Как предполагают ученые, аналогичным образом можно повысить емкость суперконденсаторов, изготовленных из других углеродных наноматериалов, в том числе нанотрубок и графена. Это позволит создавать чрезвычайно тонкие, гибкие и емкие “батарейки будущего”, которые можно будет встраивать в одежду и носимую электронику и использовать для зарядки и питания различных цифровых гаджетов.

4 февраля 2017, 10:25НаукаФизик: Россия еще может стать лидером в углеродных нанотехнологиях

О науке, высшей школе, жизни учёных на Дальнем Востоке : июля 2011

Высшее образование привлекательно не потому, что его, как например шампунь, можно навязать человеку, а потом убедить пользоваться им всю оставшуюся жизнь. Высокообразованные талантливые люди генерируют революционные идеи, улавливают и формируют пути развития цивилизации, развивают взаимосвязи между людьми во всем мире и создают благоприятную среду для обмена информацией, что, в конечном итоге, обеспечивает прогресс всего человечества. Такой товар, как вода, необходим и используется всеми, но такой услугой, как высшее образование, способен воспользоваться не каждый.

В истории нашей страны был период, когда художественные произведения продавались с «нагрузкой» из общественно-политической литературы. Для потребителя это оборачивалось выброшенными «на ветер» деньгами, а для страны – дополнительным расходованием ресурсов. Происходило увеличение вырубки леса для изготовления бумаги, разворачивание дополнительных мощностей целлюлозно-бумажных и полиграфических комбинатов, оплата затраченного труда на изготовление книг, которые никем не были прочитаны. Помимо своего конкретного запроса, потребитель должен был дополнительно оплатить ненужные ему товары и услуги.

Похожая ситуация сложилась в нынешнем высшем образовании. Наряду с необходимыми обществу молодыми, но уже настоящими специалистами, вузы производят выпускников с дипломами. Назвать их Специалистами трудно.

О проблемах качественной подготовки молодых специалистов мы беседуем с профессором кафедры мировой экономики ДВФУ кандидатом экономических наук Сергеем Ивановичем ВЕРОЛАЙНЕНОМ.

– Сергей Иванович, моя знакомая, преподаватель одного из вузов Владивостока, жаловалась на низкий уровень подготовки абитуриентов, которых на первом курсе приходилось «доучивать» несколько месяцев, чтобы они были в состоянии понимать программу первого курса. Напротив, в годы моей студенческой юности у преподавателей подобной проблемы не было. Что же делать?

– Прежде всего, сам абитуриент должен спросить себя, способен ли он к обучению в вузе? Приемным комиссиям, в свою очередь, следует позаботиться о том, чтобы не способные к получению высшего образования молодые люди не могли попадать в вузы и «просиживать там штаны». Разумеется, должны быть исключены нечестные пути доступа абитуриентов к студенческой скамье.

К сожалению, моральные устои в нашем обществе в последние десятилетия подверглись ревизии. Речь идет об утверждающемся в общественном сознании приоритете личного успеха и денег. Тому пример – недавний скандал во время проведения единого государственного экзамена в московских школах. Была выявлена система подсказок, направляемых экзаменующимся с помощью СМС-сообщений. Студенты одного из престижных вузов отвечали на вопросы вместо оплативших их услуги школьников, которые обманным путем намеревались попасть в вузы.

По моему мнению, списать – означает фактически украсть места в системе высшего образования, предназначенные более способным абитуриентам. В то время как назрела необходимость сократить численность студентов за счет отсева неспособных, фактически создаются дополнительные препятствия на пути талантливых ребят.

В итоге, наряду с грамотными молодыми специалистами, диплом о высшем образовании получат выпускники, которые так и не будут востребованы в силу низкого уровня своих знаний. Проиграют они, но также проиграет и общество, в котором растет число некомпетентных специалистов.

– А если обучение «слабого» студента проводилось не на бюджетной, а на коммерческой основе, за деньги родителей?

– Ну и что? Фактически, часть, пусть даже совсем небольшая, внутреннего валового продукта России использована впустую. Кто выиграл от вложения средств в этого студента? Родители, лишившиеся денег? Вуз, который фактически продал гербовую бумагу? Сам студент, которого не возьмут на работу по специальности, которой он так и не овладел? Проиграет и компания, принявшая, по тем или иным причинам, к себе на работу неквалифицированного специалиста, и общество, вынужденное его содержать и не имеющее возможности рационально распределить и без того скудные трудовые ресурсы.

– По крайней мере, преподаватели получили оплату затраченного на его обучение труда.

– А на мой взгляд, налицо неэффективное использование избыточных образовательных ресурсов. Целесообразнее оптимизировать систему высшего образования, понимая, что сегодня в ней сконцентрировано ресурсов больше, чем необходимо стране. Доказывают это утверждение сотни тысяч невостребованных выпускников вузов, для которых нет и не будет рабочих мест, соответствующих полученным ими специальностям.

– Сергей Иванович, если использовать экономические термины, можно ли сказать, что учреждения высшего образования подобны производителям высокотехнологичной продукции из нативного (живого) «сырья», а «сырьевая база» определяется демографической ситуацией в России?

– Давайте оставим специальные термины профессионалам. Ни для кого не секрет, что демографическая ситуация в России оставляет желать лучшего. Спад будет продолжаться до 2013 года. Только потом наметится выход из демографической «ямы».

– Это последствия событий начала 90-х годов?

– Да, конечно, нерожденные дети девяностых, сократив и количество потенциальных абитуриентов, увеличили дефицит рабочих рук.

В прежние годы абитуриенты были подготовленней, конкурсы – выше, так что вузы могли отбирать лучших ребят из хороших школьников. Но с перестройкой наступил период, когда финансирование образования и науки значительно сократилось, а обучение стало платным. Образовательные учреждения были вынуждены искать необходимое для выживания дополнительное финансирование. Появились непрофильные, но «говорящие» специальности, например, такие как «менеджер», а скромные региональные институты стали гордо именоваться университетами и академиями.

Рост приоритета товарно-денежных отношений в обществе привел к формированию принципа: «Мы вам заплатили, вы нас – учите!» Но образовательная услуга – специфическая, ею сможет успешно воспользоваться не всякий гражданин, оплативший учебу. Можно отдать деньги за обучение в вузе, но полученный диплом не гарантирует, что его обладатель – хороший врач, инженер, журналист или экономист.

Из-за деградации системы начального образования, снижения уровня подготовки школьников, уменьшения численности абитуриентов, вузы вынуждены снижать требования к студентам, а в итоге качество подготовки выпускников вузов ухудшилось.

Особенно печально то, что сами вузы фактически потеряли связь с конкретной экономикой, которая позволяла им давать выпускникам практикоориентированные знания и навыки.

– Возможно, окажется полезным опыт организации зарубежных университетов?

– В отличие от России, за рубежом именно университеты несут основную нагрузку по проведению научных исследований. Там нет такой системы организации фундаментальных исследований как у нас, в Академии наук. Образовательная функция, подготовка элиты – это вторая по значимости задача университетских коллективов после научных исследований. Например, в некоторых ведущих американских университетах профессор, в основном, несет научную, а не учебную нагрузку. Он передает студентам передовые знания, полученные им не из книг, а из научных исследований, проводимых по заказам правительства, предприятий, бизнеса, то есть ориентированных на запросы общества. При этом в научную деятельность вовлекаются и сами студенты.

Студенты, принимающие участие в научных исследованиях, деятельности малых инновационных компаний при университетах, получают знания, компетенции, которые еще не воплощены в реальной «большой» экономике. Неудивительно, что выпускники высокорейтинговых университетов легко находят применение полученным за время обучения знаниям и умениям, без проблем устраиваясь на работу по специальности.

Наши вузы тоже стали активно пользоваться рейтинговой системой, диверсифицировать комплекс образовательных услуг, расширять набор студентов на коммерческой основе, но зачастую они ориентировались на привлекательных для родителей студентов направлениях. Многие технические вузы стали готовить гуманитариев, специалистов в области экономики, управления, политики, права и так далее. В то же время ряд инженерных специальностей оказался утрачен, так как не был востребован стагнирующей экономикой. Поскольку запросы на подготовку специалистов, выполнение хоздоговорных работ от предприятий перестали поступать, квалификация профессорско-преподавательского персонала в этом сегменте снизилась, связи с предприятиями ослабли, практически утратились. Немалое число предприятий прекратило производственную деятельность. Сейчас идет возрождение интереса к инженерным специальностям, но его трудно удовлетворить, поскольку преподавательский состав не имеет опыта практической работы с новейшими технологиями и процессами, оборудованием, запросы предприятий редки, четко не сформулированы и не позволяют выстроить долгосрочную программу подготовки специалистов.

Правительством было принято решение о необходимости формирования госзаказа по специальностям, востребованным рынком. Только вот системно мониторинг потребностей рынка специалистов до сих пор не проводится. Поэтому не получается целенаправленно готовить необходимое количество молодых профессионалов нужных специальностей, обеспеченных достойными рабочими местами.

– Если национальная ресурсная база студентов сократилась, почему не рассмотреть возможность экспорта образовательных услуг? Крупнейшие университеты многих стран давно участвуют в коммерциализации системы высшего образования, предоставляя услуги иностранным студентам. Это высокодоходный бизнес, поскольку хорошие знания всегда в цене.

– Хочу подчеркнуть, речь идет именно о хороших и отличных знаниях. Понимая это, Минобрнауки разработало и утвердило концепцию развития экспорта российских образовательных услуг. Но у нас отсутствует необходимая инфраструктура, обеспечивающая анализ рынков образовательных услуг, недостаточно практикуется привлечение лучшей профессуры, известных ученых, которые способствуют росту рейтинга университета, престижа учебы в нем. Не стоит забывать о преференциях. Например, талантливым студентам многие университеты разных стран предоставляют льготы по оплате обучения, гранты и так далее. За рубежом эта политика давно выстроена как на уровне государств, так и на уровне университетов. При этом большинство стран и университетов преследуют цель привлечения наиболее талантливой молодежи.

Из многих стран молодые люди едут учиться в США, Европу, Новую Зеландию и Австралию. Их привлекают новейшие знания, международные связи, высокий статус дипломов. Именно поэтому они готовы платить за свое образование там. Если мы намерены оказать иностранным студентам образовательные услуги, то в первую очередь нам следует продемонстрировать наши конкурентные преимущества перед американскими или европейскими университетами. Умеем ли мы готовить таких специалистов, которых на любом рынке «с руками оторвут»? В чем уникальность нашего образования? Низкие цены? Или есть другие «притягательные» обстоятельства?

Занимаясь экспортом образовательных услуг, мы должны тщательно выстраивать не только содержательную часть образовательной программы. Например, многие ведущие университеты КНР прекрасно это понимают и предлагают программы на английском языке. И даже готовы учить на русском языке, лишь бы повысить привлекательность обучения у них.

Сейчас в Европе, наверное, не осталось ни одного университета, в котором не преподавали бы на английском языке. Университеты ведущих стран успешно разрабатывают стратегии интернационализации, расширяют обучение на иностранных языках.

– Почему они называются стратегиями интернационализации?

– Потому что во главу угла лучшие университеты не ставят зарабатывание денег на обучении иностранных студентов. Например, обучение в университетах Германии до недавних пор было бесплатным даже для иностранцев. Целью является повышение качества образовательных услуг и уровня выполняемых научных исследований, что и привлекает иностранных студентов и аспирантов. Интернационализация – это постоянное сравнение себя, своего продукта, услуги с лучшими мировыми образцами, а как это сделать – это и есть стратегия страны или компании, поставившей перед собой такую задачу.

Но если говорить о привлечении иностранных студентов, то лучшие университеты стремятся заполучить самых лучших ребят. Для этого они организуют международные олимпиады и конкурсы для школьников, предусматривают различные льготы, гранты, разрабатывают целые программы поиска талантов. Обучая лучших, они сами вынуждены повышать уровень своих услуг, иначе к ним никто не пойдет. В этом плане такие страны, как Китай и Индия, с суммарным населением более двух миллиардов человек, обладают очень высоким ресурсным потенциалом. Президент США Барак Обама говорит прямо: «Мы должны превзойти весь мир в инновациях, образовании. Так мы сможем завоевать будущее». Отчасти в этом могут помочь нынешние талантливые студенты и аспиранты. Некоторые из них после окончания университета останутся работать в Америке, другие вернутся на свою родину, но в большинстве они станут проводниками как экономических, так и культурных международных связей.

Политика увеличения числа друзей в зарубежных странах – мудрая политика.

Только уникальные университеты, дающие специальные, особые знания в каких либо отраслях, которые трудно найти в другой стране, могут позволить себе не беспокоиться о языке преподавания.

– Чему могут учить в этих уникальных вузах?

– Например, тому, как проектировать, строить и эксплуатировать атомные корабли и электростанции. Как строить и запускать космические аппараты, или добывать и перерабатывать минеральные ресурсы. В каждой сфере есть нечто уникальное, и такие знания всегда востребованы.

– А если говорить не о технических, а о других науках?

– Для чего студенты, допустим, из Северной Америки поедут в Россию? Понятно, если они интересуются русской культурой, языком. А если мы говорим об обучении экономике или менеджменту? Маловероятно. Для этого надо доказать свою уникальность, свои достижения в этих сферах деятельности.

Социология, политология? Возможно, но при определенных условиях. Поэтому прорабатывая стратегию интернационализации, необходимо точно определить те образовательные услуги, которые мы собираемся предложить. Равно как и в любом другом производстве. Скажем, у нас комбинат по производству меховых изделий, шубы мы производим…

– … Будет ли эта продукция востребована в Саудовской Аравии?

– Совершенно верно. Шубы – вряд ли. А вот экзотические украшения, поделки из меха – возможно, пойдут. Соответственно, в образовательной деятельности мы должны понимать, в чем может состоять привлекательность наших услуг. Кстати, упаковка товара должна быть привычна и удобна для потребителя. Например, диплом – тоже, по сути, упаковка, которую придется хранить всю жизнь, или выбросить, если он никого не заинтересует. Учтите все обстоятельства, и успех вам обеспечен.

– Пример с шубами убеждает, но мы говорим об образовании…

– Хороший пример показывает опыт организации международной школы бизнеса Солбридж, входящей в структуру университета Вусон, занимающего место в десятке лучших южнокорейских университетов. Школа, открытая в 2007 году, в своих стенах готовит бакалавров и магистров со знанием азиатских языков. Преподавательский состав – отдельная гордость Солбриджа. На 90% он состоит из иностранных профессоров, представителей разных стран, среди них два профессора из России. Корейские преподаватели все имеют опыт работы в зарубежных университетах. В настоящее время обучение в школе бизнеса проходят около 500 студентов из 35 стран, в том числе, и из России.

– Наверное, нелегко будет перейти от бюджетного финансирования к автономному плаванию на международном рынке образовательных услуг?

– Связь с бюджетным финансированием не прервется никогда. Всегда будет госзаказ на подготовку не только российских, но и иностранных студентов. Решением правительства, в соответствии с международными договоренностями, выделяются бюджетные места, стипендии для студентов из разных стран. Сейчас во всех объединяемых в ДВФУ университетах обучается около 700 иностранных граждан по разным формам подготовки: от подготовительных курсов до докторантуры. Предполагается, что в 2019 году в ДВФУ будут учиться уже 7500 иностранцев. В будущем иностранцы будут составлять около четверти численности студентов ДВФУ.

Проведение Саммита АТЭС во Владивостоке привлечет внимание не только к городу, но и к университету. Молодым людям и их родителям мы должны показать, что обучение в ДВФУ даст им уверенность в завтрашнем дне, возможность трудоустройства как у себя дома, так и на нашей территории, участия в российских и международных проектах. В частности, для китайцев, можно говорить о Программе развития Северо-Восточных провинций Китая и прилегающих к ним Российских территорий.

– В СМИ была критика этой Программы, поскольку с российской стороны в ней представлены сырьевые проекты, а с китайской – переработка сырья. Сотрудничество получается асимметричное.

– Полезно вспомнить, как эта программа формировалась. Центр запросил предложения о проектах, которые могли быть реализованы на местах. Проекты были сведены в единый документ. Сегодня мы недовольны содержанием программы. Следует помнить, что преимущественно сырьевая направленность российского сотрудничества – наше предложение.

Заметьте, что в программе, помимо сырьевых, также есть инфраструктурные проекты строительства дорог, мостов. По сути, речь идет об обустройстве приграничной территории. Есть инновационные проекты. Так в Приморском крае должно быть построено два технопарка: во Владивостоке и в Партизанске.

Китайцы заинтересованы не только в сырье. Одна из крупнейших в КНР IT-компаний подписала во Владивостоке соглашение о намерениях, в рамках которого собирается вместе с нами выпускать уникальное оборудование, сервера, которые ничуть не хуже, чем у мировых брендов. Практических шагов с нашей стороны пока не последовало. А жаль. Такого рода проекты могли бы вывести на новый уровень совместные научные исследования, придать дополнительный импульс развитию, как федерального университета, так и ДВО РАН.

В соответствии со Стратегией социально-экономического развития Дальнего Востока и Байкальского региона, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации, нашему региону предстоит стать привлекательным для проживания российских граждан за счет предоставления качественных образовательных услуг, создания новых рабочих мест в инновационных секторах экономики и формирования современной социокультурной среды. Дальний Восток станет конкурентоспособным за счет качественного роста уровня и разнообразия компетенций профессиональных кадров, совершенствования инфраструктуры интеллектуальных услуг и институциональной среды, развития экономического и технологического сотрудничества со странами Азиатско-Тихоокеанского региона, прежде всего, в таких областях, как освоение ресурсов Мирового океана, обеспечение здоровья и продление срока жизни населения, развитие нефтегазового комплекса, транспорта и логистики в глобальных коммуникациях, судостроения и судоремонта, энергетики и энергосбережения, нанотехнологий и новых материалов, рационального использования природных ресурсов. Решить эти грандиозные задачи можно только с помощью «умной» экономики, а она рождается в университетах.

Влияние ионов калия на образование смешанных валентных нанокомпозитов оксид марганца / графен

3.1. Характеристики материалов

Нанокомпозиты MnO _x / rGO были синтезированы с использованием нитрата марганца и перманганата калия в качестве сопредшественников для MnO _x. Во-первых, было достигнуто электростатическое связывание катионов марганца (II) на поверхности ОГ. При добавлении перманганата калия ионы перманганата (MnO ₄ ^–) были связаны с ионами Mn ²⁺.Последующий отжиг при 500 ° C в атмосфере Ar привел к получению композитов rGO, легированных MnO _x / K ⁺. Никакой стирки в этом процессе не было; поэтому в структуру композита были введены обильные ионы K ⁺. Картины дифракции рентгеновских лучей (XRD) составов и кристаллических структур нанокомпозитов MnO _x / rGO и ГО показаны на a. Острые характерные пики, соответствующие MnO _x на поверхности графена, появились на 23.1 °, 30,0 °, 31,7 °, 34,9 °, 40,5 °, 47,3 °, 58,7 °, 70,1 ° и 73,7 °, что указывает на присутствие MnO смешанной валентности _x, включая MnO, Mn ₂ O ₃ , и Mn ₃ O ₄, что было подтверждено Объединенным комитетом по стандартам порошковой дифракции (JCPDS) № 07-0230 (MnO), JCPDS № 00-041-1442 (Mn ₂ O ₃ ) и JCPDS-Международный центр дифракционных данных (ICDD) № 00-07-0230 (Mn ₃ O ₄) соответственно. Было обнаружено, что использование температуры отжига 500 ° C было полезным для развития оксидов марганца со смешанной валентностью в этой работе (б).При более низких температурах отжига, таких как 300 ° C или 400 ° C, были обнаружены незначительные пики оксидов марганца, что указывает на то, что такие температуры отжига недостаточны для проявления кристаллов MnO _x. Кроме того, когда температура отжига достигала 600 ° C, большая часть MnO _x термически превращалась в однофазную Mn ₃ O ₄ [23]. Номинальные пики интеркалированной K ⁺ структуры MnO _x (K _x Mn ₈ O ₁₆) также были обнаружены в случае композита, отожженного при 500 ° C.

( a ) Спектры дифракции рентгеновских лучей (XRD) оксида графена (GO) и GM ₅₀₀; ( b) Сравнительные XRD-спектры GM ₃₀₀, GM ₄₀₀, GM ₅₀₀ и GM ₆₀₀ (обозначены MnO _x / rGO как GM _n, где n – температура отжига ).

Типичные микроструктуры нанокомпозитов MnO _x / rGO, исследованные методом просвечивающей электронной микроскопии, показаны на рис. Как видно на рисунке a, наночастицы MnO _x в диапазоне от 6 до 12 нм росли на поверхности листов графена.Предложенный нами подход позволил нам получить равномерно распределенные частицы MnO _x без агрегации наночастиц. Количество нагруженного MnO _x на поверхности графена можно контролировать, варьируя количества прекурсоров, используемых для роста MnO _x. b показывает шаг решетки 2,6 нм, что соответствует плоскости (111) MnO. c показывает шаг решетки 0,28 нм плоскости (200) Mn ₃ O ₄. d показывает шаг решетки 0,26 нм плоскости (222) Mn ₂ O ₃.Фаза MnO _x оказалась одной из следующих: MnO, Mn ₂ O ₃ и Mn ₃ O ₄. Кроме того, номинальное присутствие интеркалированных K ⁺ структур MnO _x наблюдали с помощью анализа ПЭМ (рис. S1), что согласуется с результатами XRD.

( a ) Типичное изображение GM ₅₀₀, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), и увеличенные изображения ПЭМ, которые показывают структуры ( b ) MnO, ( c ) Mn ₃ O ₄, и ( d ) Mn ₂ O ₃.

отображает карты TEM-EDS, показывающие распределения C, O, Mn, K и K-Mn в комбинации. Это также показывает, что ионы K ⁺ были равномерно распределены на поверхности rGO и вблизи границ зерен полиморфов MnO _x. Также небольшое количество ионов K ⁺ было обнаружено в структуре MnO _x (e, f). Это связано с небольшим количеством интеркалированных K ⁺ структур MnO _x, присутствующих в композитах, что согласуется с исследованием XRD.Известно, что при прокаливании при 500 ° C ионы NO ₃ ^2- могут легко испаряться, но ионы K ⁺ стабильно остаются вдоль границы зерен полиморфов MnO _x, а также на поверхности поверхность рГО [24].

Анализ методом энергодисперсионной спектроскопии (EDS) GM ₅₀₀ с ПЭМ. ( a ) TEM-изображение GM ₅₀₀, элементарные карты ( b ) C, ( c ) O, ( d ) Mn и ( e ) K, а также ( f ) Составное изображение Mn-K.

Рамановские спектры GO и нанокомпозита MnO _x / rGO показаны на a. В спектре GO обнаружена полоса D при 1346 см ^-1 и G полоса 1570 см ^-1. Характерные полосы D и G наблюдаются как для нанокомпозита MnO _x / rGO, так и для продуктов GO. Соотношения интенсивностей полос D и G для GO и нанокомпозита MnO _x / rGO демонстрируют очевидное изменение: 0,75 и 0,98 соответственно. Возрастающее значение отношения интенсивности D / G нанокомпозита MnO _x / rGO по сравнению с таковым у GO обусловлено уменьшением размера доменов sp ² и созданием новых графитовых доменов с меньшими размерами после термическое восстановление при 500 ° C [25].Кроме того, пики при 639,7 см ⁻¹ для MnO _x / rGO отнесены к валентному колебанию Mn – O в базисной плоскости MnO ₆ и / или симметричному валентному колебанию MnO ₆ группа [26].

( a ) Рамановские спектры GO и GM ₅₀₀. ( b ) Обзорная рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) GM ₅₀₀. ( c ) область Mn 2p и ( d ) область Mn 3s GM ₅₀₀.

Электронное состояние поверхности и состояние химической связи MnO _x / rGO были подробно проанализированы с помощью XPS. Как показано на b, обзорный XPS-спектр для нанокомпозита MnO _x / rGO показал присутствие углерода, марганца, калия и кислорода. В частности, пропуск стадии промывки после реакции KMnO ₄ при получении нанокомпозита MnO _x / rGO может объяснить присутствие K ⁺ внутри MnO _x / rGO после отжиг.Пик C 1s происходит от графеновых нанолистов. Пик Mn 2p был дополнительно исследован с помощью анализа XPS с высоким разрешением, как показано на c. Два пика при 641,5 эВ и 653,2 эВ могут быть отнесены к Mn 2p _3/2 и 2p _1/2, соответственно, что характерно для MnO смешанной валентности _x [27,28]. Степень окисления марганца подтверждена мультиплетным расщеплением состояния Mn 3s. Как показано на d, ширина расщепления составляла 5,5 эВ, что соответствует предыдущему отчету о спектре XPS Mn ₃ O ₄ [19].Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FT-IR) была использована для характеристики нанокомпозитов GO и MnO _x / rGO, и результаты показаны на рисунке S2. GO показал широкую полосу при 3300–3700 см ^–1 и отчетливую полосу при 1620 ~ 1730 см ^–1, соответствующую O – H и C = O, C – O соответственно. После создания композита все полосы значительно уменьшились, и новый пик для полосы MnO _x при 600 см ^-1 был подтвержден [29,30,31].

3.2. Электрохимические свойства

Для оценки температурно-зависимого электрохимического поведения и количественной оценки емкостных характеристик нанокомпозитов MnO _x / rGO были приготовлены образцы, отожженные при 400 ° C, 500 ° C и 600 ° C, а также проведена циклическая вольтамперометрия. (CV) измерения проводились при различных скоростях сканирования при рабочем потенциале −0,6–0,7 В в трехэлектродной системе. Результаты показаны в файле. Можно заметить, что GM ₅₀₀ показывает большую емкостную площадь, чем GM ₄₀₀ или GM ₆₀₀.Это связано с тем, что псевдоемкость зависит от структуры оксида металла. Недавно было установлено, что система многовалентных оксидов способна адсорбировать анионы, а также переносить атомы кислорода в свободные места для ионов марганца, тем самым способствуя высоким окислительно-восстановительным реакциям и более быстрым электронным переходам [32,33]. Из вышеупомянутого исследования XRD мы заметили, что кристаллическая структура и валентное состояние полученного MnO _x и следующие характеристики CV зависят от температуры отжига.GM ₄₀₀ показал очень низкий емкостной ток по сравнению с GM ₅₀₀, вероятно, из-за недостаточного роста MnO смешанной валентности _x. GM ₆₀₀ также продемонстрировал худшие характеристики по сравнению с GM ₅₀₀. Это объясняется сниженным окислительно-восстановительным активным образованием Mn ₃ O ₄, что, в свою очередь, может привести к снижению емкостного тока при повышенной температуре отжига до 600 ° C. Однако при отжиге при 500 ° C образовывались различные фазы MnO _x со смешанной валентностью, такие как MnO, Mn ₂ O _3, и Mn ₃ O ₄, что оказалось выгодно для большей области емкостного тока.

Кривые циклической вольтамперометрии ( a ) GM ₄₀₀, GM ₅₀₀ и GM ₆₀₀ при скорости сканирования 10 мВс ⁻¹, ( b ) CV-кривые GM ₅₀₀ при различных скоростях сканирования, ( c ) кривые гальваностатического заряда-разряда GM ₅₀₀ при различных плотностях тока и ( d ) график зависимости удельной емкости от плотности тока для GM ₅₀₀.

CV-анализ GM ₅₀₀ при различных скоростях сканирования был проведен для исследования текущего отклика GM ₅₀₀.Все кривые CV имели квазипрямоугольную форму как для низкой, так и для высокой скорости сканирования (b). Как правило, при высоких скоростях сканирования – более 50 мВ с ^-1 – кривые CV искажаются по сравнению с их прямоугольной формой. Это указывает на несбалансированную диффузию ионов по отношению к токам заряда и разряда, вызванную поляризацией между оксидом металла и электролитом с ограниченной инкубацией электролита внутри электродных материалов. Однако графики почти такие же относительно оси нулевого тока.Чтобы количественно определить значение емкости GM ₅₀₀, мы провели измерения гальваностатического заряда / разряда. c показывает слабый выступ в сигнале 0,09 В во время зарядки, а на графике разрядки появляется небольшой изгиб. Это связано со значимостью окислительно-восстановительной реакции во время электрохимических характеристик, которая варьируется из-за присутствия смешанной валентности MnO _x и большого количества ионов K ⁺. d представляет значения удельной емкости, рассчитанные по следующему уравнению:

Cs = 2im∫V dtV2 | VfVi,

(1)

где C _s (F g ⁻¹) – удельная емкость, i _м = I / m (A g ⁻¹) – плотность тока, где I – ток и м – масса активного материала, ∫Vdt – площадь интеграла тока, где В, – потенциал с начальным и конечным значениями В _i и В _f , соответственно [34 ].

Максимальное и минимальное значения удельной емкости составили 1955,6 Ф · г ^-1 и 840,7 Ф · г ^-1 при плотностях тока 1 А · г ^-1 и 4,5 А · г ^-1, соответственно. Эти высокие емкостные характеристики могли быть связаны с присутствием ионов K ⁺ на границе зерен MnO _x и поверхности rGO, которые легко переносились от электрода к электролиту. В предыдущих исследованиях механизмы накопления заряда композитов на основе MnO _x контролировались в основном интеркаляцией / деинтеркаляцией щелочных катионов и структурными изменениями, которые происходили во время электрохимических воздействий [35].В нашем исследовании большая часть ионов K ⁺ была легирована на поверхность rGO, а не интеркалирована в MnO _x. Поскольку ионы K ⁺, легированные на rGO, вызывают n-легирующий эффект графена, ожидается, что электрическая проводимость rGO будет увеличена [18]. В этом отношении может быть улучшена транспортировка электронов от окислительно-восстановительного центра к токосъемнику, что приведет к увеличению емкостных характеристик. Более того, образование MnO _x со смешанной валентностью может привести к превосходным характеристикам емкостного поведения, которое выигрывает от сосуществования одновалентных катионов марганца, которые управляют кинетикой поверхностных реакций, ускоренных дефектами.Как GM ₄₀₀, так и GM ₆₀₀ демонстрируют более низкие емкостные свойства, чем GM ₅₀₀, что указывает на то, что во время процесса отжига наблюдается недостаточное развитие MnO смешанной валентности _x (Рисунки S3 и S4). Кроме того, GM ₅₀₀ показал самую большую площадь поверхности 210 м ² г ^-1 по результатам анализа Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) (Belsorp-max, Bel Japan Inc., Тойонака, Япония) по сравнению с что у GM ₄₀₀ и GM ₆₀₀, поддерживающих превосходные емкостные свойства GM ₅₀₀ (Рисунок S5).Результаты теста на циклическую стабильность показывают, что удельная емкость сохраняется на уровне 96% даже после 4000 циклов заряда / разряда. Основываясь на этих результатах, мы делаем вывод, что GM ₅₀₀ является эффективным материалом для использования в качестве электрода суперконденсатора.

Циклическая стабильность GM ₄₀₀, GM ₅₀₀ и GM ₆₀₀ при плотности тока 1,0 А · г ⁻¹.

Для выяснения влияния ионов K ⁺ был также приготовлен GM ₅₀₀ без ионов K ⁺.K ⁺ без содержания GM ₅₀₀ получали путем многократной промывки после реакции предшественников марганца и последующего отжига при 500 ° C. Из исследований ПЭМ и XRD установлено, что полученный GM ₅₀₀, не содержащий K ⁺, состоит из Mn ₃ O ₄, не показывая какой-либо поливалентности (рисунок S6). Мы использовали сканирующую электронную микроскопию (SEM) и EDS-картирование для сравнения состава элементов до и после промывки GM ₅₀₀ ().Изображение элементарного картирования EDS GM ₅₀₀ показало сигналы K-края Mn, O и K с атомными процентами 22%, 39% и 39% соответственно (a). Напротив, отображение EDS для GM ₅₀₀, не содержащего K ⁺, указывает на повышенное количество O и резко уменьшенное количество K после стирки. Атомные проценты Mn, O и K составляли 9%, 84% и 7% соответственно (c). b показывает сканирование XPS-обзора GM ₅₀₀ без K ⁺, демонстрирующее отсутствие связи, связанной с ионами K.Приведенные выше результаты показывают, что ионы K ⁺ удаляются промывкой. Электрохимические характеристики также показывают, что GM ₅₀₀ без K ⁺ очень уступает GM ₅₀₀ с легированием K ⁺, демонстрируя удельную емкость 272 Ф / г при плотности тока 1 А / г ( г). Из этих наблюдений можно сделать вывод, что присутствие ионов K ⁺ необходимо для образования многовалентного MnO _x на поверхности rGO после отжига при температуре 500 ° C, что приводит к превосходным емкостным характеристикам композитный электрод.

( a ) Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и EDS GM ₅₀₀, ( b ) XPS-обзорное сканирование K ⁺-бесплатно GM ₅₀₀, ( c ) SEM и EDS K ⁺ без GM ₅₀₀, ( d ) Удельная емкость в зависимости от плотности тока для K ⁺ без GM ₅₀₀.

Восстановленный оксид графена – Графенея

Исследовательские институты во всем мире пытаются найти способы революционизировать производство графеновых листов высочайшего качества.Один из наиболее эффективных с точки зрения затрат способов, которым это возможно, является восстановление оксида графена до rGO (восстановленный оксид графена). Проблема с этим методом заключается в качестве производимых листов графена, которые (с помощью определенных методов) демонстрируют свойства, которые в настоящее время ниже теоретического потенциала чистого графена по сравнению с другими методами, такими как механическое расслоение. Однако это не означает, что нельзя добиться улучшений или что восстановленный оксид графена непригоден для использования; на самом деле далеко не так.

Оксид графита

Оксид графита – это соединение, состоящее из молекул углерода, водорода и кислорода. Он создается искусственно путем обработки графита сильными окислителями, такими как серная кислота. Эти окислители работают, реагируя с графитом и удаляя электрон в химической реакции. Эта реакция известна как окислительно-восстановительная реакция (портманто восстановления и окисления), поскольку окисляющий агент восстанавливается, а реагент окисляется.

В прошлом наиболее распространенным методом создания оксида графита был метод Хаммерса и Оффемана, при котором графит обрабатывали смесью серной кислоты, нитрата натрия и перманганата калия (очень сильного окислителя).Однако недавно были разработаны другие методы, которые, как сообщается, являются более эффективными, достигая уровня окисления 70%, за счет использования повышенных количеств перманганата калия и добавления фосфорной кислоты в сочетании с серной кислотой вместо добавления нитрата натрия.

Оксид графена является побочным продуктом этого окисления, поскольку, когда окислители вступают в реакцию с графитом, межплоскостное расстояние между слоями графита увеличивается. Затем полностью окисленное соединение можно диспергировать в основном растворе, таком как вода, и затем получить оксид графена.

Оксид графита и оксид графена очень похожи химически, но структурно они очень разные. Основное различие между оксидом графита и оксидом графена – это межплоскостное расстояние между отдельными атомными слоями соединений, вызванное интеркаляцией воды. Это увеличенное расстояние, вызванное процессом окисления, также нарушает структуру sp2-связей, а это означает, что и оксид графита, и оксид графена часто называют электрическими изоляторами.

Оксид графита в оксид графена

Процесс превращения оксида графита в оксид графена может в конечном итоге очень сильно повредить отдельные слои графена, что имеет дальнейшие последствия при дальнейшем восстановлении соединения (объяснение ниже).Процесс окисления графита до оксида графита уже повреждает отдельные пластинки графена, уменьшая их средний размер, поэтому дальнейшее повреждение нежелательно. Оксид графена содержит хлопья из монослоя и несколько слоев графена, перемежающихся с водой (в зависимости от базовой среды взаимодействия тромбоцитов с тромбоцитами могут быть ослаблены функциональностью поверхности, что приводит к улучшенной гидрофильности).

Чтобы превратить оксид графита в оксид графена, можно использовать несколько методов. Наиболее распространенными методами являются обработка ультразвуком, перемешивание или их комбинация.Обработка ультразвуком может быть очень эффективным по времени способом отшелушивания оксида графита, и она чрезвычайно эффективна при отшелушивании графена (почти до уровня полного расслоения), но также может сильно повредить чешуйки графена, уменьшая их размер поверхности с микрон до нанометров. , а также производит графеновые пластинки самых разных размеров. Механическое перемешивание – гораздо менее тяжелый подход, но для его выполнения может потребоваться гораздо больше времени.

«Там, где научным инженерам необходимо использовать большие количества графена для промышленных применений, таких как накопление энергии, rGO является наиболее очевидным решением».

Оксид графена в восстановленный оксид графена

Восстановление оксида графена для получения восстановленного оксида графена (ранее называемого rGO) является чрезвычайно важным процессом, поскольку он оказывает большое влияние на качество производимого rGO и, следовательно, определяет, насколько близко будет rGO с точки зрения структуры. , к чистому графену.В крупномасштабных операциях, когда научным инженерам необходимо использовать большие количества графена для промышленных применений, таких как накопление энергии, rGO является наиболее очевидным решением из-за относительной легкости создания достаточного количества графена для желаемого уровня качества.

Как и следовало ожидать, существует несколько способов восстановления, хотя все они основаны на химических, термических или электрохимических средствах. Некоторые из этих методов позволяют производить rGO очень высокого качества, подобное чистому графену, но их выполнение может быть сложным или требовать много времени.

В прошлом ученые создали rGO из GO по:

Обработка GO гидразингидратом и выдержка раствора при 100 в течение 24 часов
Воздействие водородной плазмы на GO в течение нескольких секунд
Воздействие на GO другой формы сильного импульсного света, например, производимого ксеноновыми лампами-вспышками
Нагревание GO в дистиллированной воде с разной степенью в течение разного времени

Рекомендуемые товары

GFET-S10
(размер матрицы 10 мм x 10 мм)
Для измерительных приложений
380.00 $

Высококонцентрированный оксид графена (концентрация 2,5 мас.%)
440,00 $

Easy Transfer: однослойный графен на полимерной пленке
(1 см x 1 см)
80,00 $

Объединение GO с агентом, уменьшающим расширение, таким как мочевина, и последующее нагревание раствора, чтобы вызвать выделение восстановительных газов из мочевины, с последующим охлаждением
Прямой нагрев GO до очень высоких уровней в печи
Вольтамперометрия с линейной разверткой
Примечание. Это лишь некоторые из многочисленных методов, которые были применены до сих пор.
Восстановление GO с использованием химического восстановления – очень масштабируемый метод, но, к сожалению, получаемый RGO часто дает относительно низкие выходы с точки зрения площади поверхности и электронной проводимости. Термическое восстановление GO при температурах 1000 ℃ или более создает rGO, который, как было показано, имеет очень большую площадь поверхности, даже близкую к площади поверхности чистого графена.
К сожалению, процесс нагрева повреждает структуру графеновых пластинок, поскольку давление между ними увеличивается и высвобождается углекислый газ.Это также приводит к значительному уменьшению массы GO (были упомянуты цифры около 30%), создавая дефекты и вакансии, а также потенциально влияя на механическую прочность производимого rGO.
Последний пример, приведенный выше, может в конечном итоге стать будущим крупномасштабного производства rGO. Электрохимическое восстановление оксида графена – это метод, который, как было показано, позволяет производить восстановленный оксид графена очень высокого качества, фактически идентичный по структуре чистому графену.
Этот процесс включает покрытие различных подложек, таких как оксид индия и олова или стекло, очень тонким слоем оксида графена. Затем на каждом конце подложки помещают электроды, создавая цепь через GO. Наконец, линейную вольтамперометрию с разверткой проводят на GO в натрий-фосфатном буфере при различных напряжениях; при 0,6 вольта началось снижение, а максимальное снижение наблюдалось при 0,87 вольт.
В недавних экспериментах полученный электрохимически восстановленный оксид графена показал очень высокое отношение углерода к кислороду, а также показания электронной проводимости выше, чем у серебра (8500 См / м по сравнению с примерно 6300 См / м для серебра).Другие основные преимущества этого метода заключаются в том, что в нем не используются опасные химические вещества, что означает отсутствие токсичных отходов, которые нужно утилизировать. К сожалению, масштабируемость этого метода оказалась под вопросом из-за сложности нанесения оксида графена на электроды в объемном виде.
В конечном счете, как только восстановленный оксид графена будет получен, мы сможем функционализировать rGO для использования в различных приложениях. Обрабатывая rGO другими химическими веществами или создавая новые соединения, комбинируя rGO с другими двухмерными материалами, мы можем улучшить свойства этого соединения для соответствия коммерческим применениям.Список почти бесконечен относительно того, чего мы можем достичь с графеном в любом из его обличий.
% PDF-1.6 % 298 0 объект > эндобдж xref 298 137 0000000016 00000 н. 0000004011 00000 н. 0000004182 00000 п. 0000004311 00000 н. 0000004388 00000 п. 0000004410 00000 н. 0000004991 00000 п. 0000005106 00000 п. 0000005245 00000 н. 0000005383 00000 п. 0000005522 00000 н. 0000005660 00000 п. 0000005799 00000 н. 0000005938 00000 н. 0000006076 00000 н. 0000006214 00000 н. 0000006353 00000 п. 0000006492 00000 н. 0000006631 00000 н. 0000006769 00000 н. 0000006905 00000 н. 0000007418 00000 н. 0000007665 00000 н. 0000007692 00000 н. 0000008198 00000 н. 0000008644 00000 н. 0000009093 00000 н. 0000009255 00000 н. 0000009292 00000 н. 0000009844 00000 н. 0000010097 00000 п. 0000010211 00000 п. 0000010323 00000 п. 0000011489 00000 п. 0000011950 00000 п. 0000012133 00000 п. 0000012426 00000 п. 0000012745 00000 п. 0000012845 00000 п. 0000013908 00000 п. 0000014695 00000 п. 0000014844 00000 п. 0000015571 00000 п. 0000016220 00000 п. 0000017301 00000 п. 0000018510 00000 п. 0000019873 00000 п. 0000020310 00000 п. 0000020401 00000 п. 0000020899 00000 н. 0000021274 00000 п. 0000022496 00000 п. 0000022627 00000 п. 0000022793 00000 п. 0000024141 00000 п. 0000025036 00000 п. 0000027686 00000 н. 0000037819 00000 п. 0000043500 00000 п. 0000055904 00000 п. 0000055974 00000 п. 0000056077 00000 п. 0000066544 00000 п. 0000066805 00000 п. 0000067216 00000 п. 0000079579 00000 п. 0000079649 00000 п. 0000091268 00000 п. 0000091535 00000 п. 0000091941 00000 п. 0000092051 00000 п. 0000092078 00000 п. 0000092580 00000 п. 0000092898 00000 п. 0000092925 00000 п. 0000093355 00000 п. 0000093486 00000 п. 0000093824 00000 п. 0000094117 00000 п. 0000094451 00000 п. 0000094671 00000 п. 0000131408 00000 н. 0000131447 00000 н. 0000135727 00000 н. 0000136067 00000 н. 0000136615 00000 н. 0000137105 00000 н. 0000137477 00000 н. 0000138061 00000 н. 0000138617 00000 н. 0000139181 00000 п. 0000139657 00000 н. 0000140251 00000 н. 0000140741 00000 н. 0000141205 00000 н. 0000141282 00000 н. 0000141354 00000 н. 0000141682 00000 н. 0000141753 00000 н. 0000141901 00000 н. 0000142113 00000 н. 0000142184 00000 п. 0000142785 00000 н. 0000142856 00000 н. 0000143399 00000 н. 0000143470 00000 н. 0000143901 00000 н. 0000143972 00000 н. 0000144181 00000 п. 0000144252 00000 н. 0000144547 00000 н. 0000144618 00000 н. 0000145165 00000 н. 0000145236 00000 п. 0000145557 00000 н. 0000145628 00000 н. 0000145751 00000 н. 0000145822 00000 н. 0000145937 00000 н. 0000146008 00000 н. 0000146169 00000 н. 0000146240 00000 н. 0000146332 00000 н. 0000146438 00000 н. 0000146544 00000 н. 0000146615 00000 н. 0000146721 00000 н. 0000146792 00000 н. 0000146863 00000 н. 0000147014 00000 н. 0000147085 00000 н. 0000147156 00000 н. 0000147227 00000 н. 0000147319 00000 п. 0000147445 00000 н. 0000147516 00000 н. 0000003036 00000 н. трейлер ] / Назад 2087086 >> startxref 0 %% EOF 434 0 объект > поток h ތ] lSeϡe ; mw; ¾º-iXv! ECpmW 麮 [7} S (* z ‘7D @ B ›LxqA + oL>) s ~ =} @} e; 88X5a͵ {} z [jNwӏ.% Pxo] U ټ zg ߲ Aub | t $ O4j + 9zL-MFL
Суперконденсаторы на основе графена | XY Kao
Вот копия статьи, которую я написал для своего исследования на уроке физики, который представляет собой годичный вводный курс для физических исследований в лаборатории. В конце концов, мой проект был больше исследований в области химии, чем физики, но я приблизился к функциональному конденсатору.
1 ВВЕДЕНИЕ
Аккумуляторы в настоящее время являются ограничивающим фактором для многих устройств с электроприводом.Низкая емкость и медленное время зарядки – проблемы, с которыми сталкиваются каждый день, но технология аккумуляторов в значительной степени застопорилась с момента появления литий-ионных аккумуляторов. Усовершенствованные аккумуляторы с более высокой скоростью зарядки и большей емкостью имеют значение для бытовой электроники, автомобильной промышленности и нашей зависимости от ископаемого топлива.
С момента открытия графена ученые пытались найти практическое применение этому материалу в повседневной жизни. Из-за уникальных электрических свойств однослойных листов графена одними из наиболее многообещающих областей исследований являются накопление энергии и микроэлектроника.Было показано, что полупроводники, изготовленные из графена, значительно превышают скорость переключения существующих кремниевых транзисторов, а поскольку однослойная углеродная структура сильно взаимодействует с фотонами, существует больше возможностей за пределами области электроники. Обладая высокой теоретической площадью поверхности и проводимостью, графен имеет потенциал для использования в суперконденсаторах, с плотностью мощности и плотностью энергии, намного превосходящими возможности существующих литий-ионных аккумуляторов (El-Kady, MF, et al.2013).
С точки зрения материалов углерод является самым распространенным элементом на Земле и не наносит вреда окружающей среде по сравнению с существующими материалами конденсаторов и суперконденсаторов. Однако одним из многих ограничивающих факторов широкого использования графеновых суперконденсаторов является сложность изготовления в больших масштабах. Небольшие партии графеновых суперконденсаторов можно воспроизвести в условиях исследовательской лаборатории, но прежде, чем конденсаторы можно будет использовать в повседневных электронных устройствах, необходимо разработать методы производства, позволяющие производить их в больших объемах.Попытки создать суперконденсаторы на основе графена с использованием DVD-лазера увенчались успехом (Marcano, et al. 2010), и в этой статье описывается альтернативный метод скрайбирования с использованием коммерческого настольного лазерного гравера, способного к производству в больших объемах.
Было обнаружено, что оксид графита проявляет необычный фототермический эффект при воздействии света высокой интенсивности (Cote, et al. 2009). При экспонировании оксид графита восстанавливается до графена, открывая новые возможности в производстве графена, особенно в контексте микроэлектроники.
2 НАСТРОЙКА
Чтобы начать процесс создания графеновых суперконденсаторов, необходимо синтезировать раствор оксида графена (GO). ОГ был синтезирован окислением чешуйчатого графита кислотной смесью. Традиционный метод Хаммерса (Хаммерс и др., 1958) относительно опасен, поскольку создает высокотоксичный отработанный газ, поэтому вместо него был использован модифицированный метод. Чешуйчатый графит добавляли к смеси серной и фосфорной кислоты и перемешивали при нагревании в течение двенадцати часов. Процесс нагрева и перемешивания окисляет чешуйки графита, превращая их в желтый раствор GO.-} с чистотой более 99,5%. Концентрированную серную кислоту (98%) и фосфорную кислоту (85%) осторожно перемешивали и давали остыть до комнатной температуры. Перманагнат калия (KMnO4) и чешуйки графита смешивали в сухом виде. Ледяная баня была подготовлена для поддержания температуры смеси кислоты ниже пороговой для теплового разгона. При перемешивании кислотной смеси на магнитной мешалке медленно добавляли смесь перманганата калия и хлопьев графита. Раствор трансформировал цвет от прозрачного до непрозрачного темно-зеленого.Раствор поддерживали при 50 ° C, оставляя перемешиваться на двенадцать часов. Крышку держали над контейнером, чтобы избежать чрезмерного испарения в течение двенадцатичасового периода перемешивания.
В конце периода перемешивания раствор приобрел коричневый цвет, что указывает на правильное окисление графита. Раствору давали остыть до комнатной температуры и добавляли перекись водорода (30%), чтобы остановить процесс окисления. В этот момент раствор приобрел ярко-желто-оранжевый цвет.
Небольшие количества раствора переносили в центрифужные пробирки, а затем центрифугировали в трехступенчатом процессе.Между каждым циклом центрифугирования супернатант удаляли, добавляли деионизированную воду и перемешивали. По окончании трех циклов оксид графена приобретает коричневый цвет с густой пастообразной консистенцией. Целью центрифугирования является очистка оксида графена за счет снижения концентрации кислоты. Каждый цикл центрифугирования разбавляет раствор, и после трех циклов в GO остается мало кислоты.
Оставшийся жидкий ГО вылили в чашку Петри и дали высохнуть в течение ночи в условиях окружающей среды.2) использовался для поддержания равномерной толщины по всему предметному стеклу микроскопа. С помощью пипетки раствор GO равномерно распределили по предметному стеклу и дали высохнуть на горячей пластине при 40 ° C. Поскольку количество раствора будет выливаться за край предметного стекла, капельное литье было выполнено трижды на одном предметном стекле с промежуточным временем высыхания.
Возможными точками отказа в модифицированном методе Хаммерса (Marcano, et al. 2010) являются термический разгон и неправильные температуры. При добавлении смеси перманганата калия (KMnO4) и графита раствор кислоты необходимо сохранять прохладным в ледяной бане, в противном случае произойдет взрывоопасное образование токсичного газообразного хлора и гептоксида марганца.Раствору также необходимо дать остыть до комнатной температуры перед добавлением перекиси водорода, иначе реакции не будет.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ
Синтез оксида графена модифицированным методом Хаммерса
Существующие исследования по модифицированному методу Хаммерса по синтезу оксида графена дали выход приблизительно 27% от исходной смеси перманганата калия и графита. Исходя из 1,0 г чешуйчатого графита и 6,0 г перманганата калия, после процесса очистки центрифугированием было собрано 1,65 г высушенного оксида графена.Это выход 24%, демонстрирующий, что модифицированный метод Хаммерса можно относительно легко воспроизвести в лаборатории.
Источники немного более низкого выхода основаны на технике, а не на неправильной реализации метода, так как небольшие следы GO остались на пипетке, пробирке для центрифугирования, чашке для сушки и отброшенном супернатанте. Однако, прежде чем масштабируемое производство станет реальностью, необходимо рассмотреть возможность дальнейших исследований по сокращению времени синтеза и безопасности.
Взаимно-штыревая геометрия
Геометрия рисунка была выбрана так, чтобы обеспечить наименьшее расстояние между двумя электродами, при этом она была эффективной при использовании материала GO. Минимальные зазоры и толщина электродов зависят от пространственного разрешения лазера, поскольку нежелательные короткие замыкания ухудшают способность электродов удерживать заряд. Встречно-штыревую геометрию можно масштабировать до любого размера и формы, что позволяет использовать широкий спектр емкостей и вариантов наложения с любой последовательной или параллельной комбинацией.Каждый из двух сплошных гребенчатых паттернов представляет собой отдельные электроды. Параллельные концы электрода сделали шире, чтобы было хорошее соединение с медной лентой.
Лазерная разметка с помощью лазера Epilog 40 Вт
Станки для лазерной гравировки обычно используются во многих мастерских и художественных лабораториях. Другие наблюдали необычный фототермический эффект, когда оксид графена поглощает свет высокой интенсивности и преобразуется в графен, что дает возможность использовать лазеры для создания встречно-штыревой структуры конденсатора.2, большие батареи конденсаторов в любой последовательной или параллельной комбинации могут быть изготовлены сразу на настольном травителе обычного размера.
Программное обеспечение принтера, поставляемое Epilog, имеет несколько настраиваемых параметров, которые изменяют поведение лазерного луча. 2 / г, является идеальным кандидатом для использования в качестве материала суперконденсатора. .После лазерного скрайбирования золотисто-коричневый цвет пленки GO превращается в черный, что указывает на восстановление GO до графена.
4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хотя суперконденсатор на основе графена был успешно произведен, необходимо провести дополнительные испытания и эксперименты, прежде чем его можно будет практически использовать в устройстве. В начале исследовательского процесса целью было создать «батарею» с несколькими суперконденсаторами в конфигурации стека. Однако из-за нехватки времени и сложности синтеза оксида графита эта цель не была достигнута.
Однако было продемонстрировано, что рабочий суперконденсатор на основе графена может быть изготовлен без какого-либо специального оборудования в рамках исследовательских и робототехнических лабораторий ТАС. Дальнейшая работа над этим исследованием будет включать дополнительные испытания с лазером, еще большее определение характеристик конденсатора и добавление электролита для улучшения емкости.
Лазер Epilog мощностью 40 Вт чуть выше идеального с точки зрения мощности, так как в режиме 5% мощности и 100% скорости GO немного переэкспонирован (по результатам анализа под световым микроскопом и микроскопом SEM).Также можно протестировать другие методы воздействия света, такие как трафарет в сочетании со вспышкой для фотосъемки.
5 БЛАГОДАРНОСТИ
Я благодарен доктору Аллану Байнтуну за поддержку, помощь и мотивацию на протяжении всего исследовательского процесса, Шону Цао за помощь с лабораторными и лабораторными методами, мистеру Джуду Клэпперу за его поддержку, доктору Харцеллу и доктору • Хеннесси за поддержку исследовательской программы и Друзьям ТАС за их постоянную поддержку всей деятельности ТАС.
6 ССЫЛКИ
Daniela C.Маркано, Дмитрий В. Косынкин, Джейкоб М. Берлин, Александр Синицкий, Чжэнцзун Сун, Александр Слесарев, Лоуренс Б. Алемани, Вэй Лу и Джеймс М. Тур. Улучшенный синтез оксида графена. САУ Нано 2010 4 (8), 4806-4814
Кот, Л. Дж., Круз-Сильва, Р. и Хуанг, Дж. Выделение методом мгновенного восстановления и формирование рисунка оксида графита и его полимерного композита. Варенье. Chem. Soc. 131, 11027–11032 (2009).
Эль-Кады, МФ. и другие. Масштабируемое производство мощных графеновых микро-суперконденсаторов для гибкого хранения энергии на кристалле.Nat. Commun. 4: 1475 DOI: 10.1038 / ncomms2446 (2013).
Уильям С. Хаммерс младший и Ричард Э. Оффеман. Приготовление оксида графита. Журнал Американского химического общества 1958 г. 80 (6), 1339-1339 DOI: 10.1021 / ja01539a017
Wang, K. et al. Полностью твердотельный гибкий микро-суперконденсатор на кристалле. Adv. Energy Mater. 2011. Т. 1. С. 1068–1072.
Zhu, Y. et al. Суперконденсаторы на основе углерода, полученные путем активации графена. Science 332, 1537–1541 (2011).
Влияние восстановителя на получение и электроактивность Mn…: Ingenta Connect
Материалы электродов суперконденсатора с улучшенными электрохимическими свойствами были получены путем синтеза диоксида марганца (MnO ₂) в водном растворе графена с большой удельной поверхностью и высокой электропроводностью. MnO ₂ / графеновые композиты были синтезированы восстановлением перманганата калия тремя видами восстановителя (этанол, этиленгликоль, ДМФ). ПЭМ-изображение подтвердило, что композит MnO ₂ / графен, восстановленный этанолом, имел небольшой средний размер частиц.Электрохимические свойства охарактеризованы. с помощью циклической вольтамперометрии (ЦВА) и гальваностатического заряда-разряда в 1 М водном растворе электролита Na ₂ SO ₄. Восстановленный этанолом композит MnO ₂ / графен показал более высокую удельную емкость, чем композит MnO ₂ / графен, восстановленный этиленом. гликоль или ДМФ. Был сделан вывод, что диоксид марганца, восстановленный этанолом, имеет небольшой средний размер частиц, что приводит к большой удельной поверхности и низким характеристикам импеданса.
Нет доступной справочной информации – войдите в систему для доступа.
Информация о цитировании недоступна – войдите в систему, чтобы получить доступ.
Нет дополнительных данных.
Нет статей СМИ
Без показателей
Ключевые слова: ЭЛЕКТРОД; ГРАФЕН; ДИОКСИД МАРГАНЦА; ОКСИД МЕТАЛЛА; КОНДЕНСАТОР
Тип документа: Исследовательская статья
Дата публикации: 1 октября 2018 г.
Подробнее об этой публикации?
Journal for Nanoscience and Nanotechnology (JNN) – это международный мультидисциплинарный рецензируемый журнал с широким охватом, объединяющий исследовательскую деятельность во всех областях нанонауки и нанотехнологий в единый и уникальный справочный источник.JNN – это первый междисциплинарный журнал, публикующий оригинальные полные исследовательские статьи, оперативные сообщения о важных новых научных и технологических открытиях, своевременные обзоры современного состояния с фотографией и краткой биографией автора, а также текущие научные новости, охватывающие фундаментальные и прикладные аспекты. исследования по всем дисциплинам науки, техники и медицины.
Редакция журнала
Информация для авторов
Подписаться на Название
Положения и условия
Ingenta Connect не несет ответственности за содержание или доступность внешних веб-сайтов.
Простой синтез и сильно зависящие от микроструктуры электрохимические свойства композитов графен / диоксид марганца для суперконденсаторов | Письма о наномасштабных исследованиях
1.
Cheng Q, Tang J, Ma J, Zhang H, Shinya N, Qin LC: Графен и наноструктурированный MnO _{2 Композитные электроды} для суперконденсаторов. Углерод 2011, 49: 2917–2925. 10.1016 / j.carbon.2011.02.068
Артикул Google Scholar
2.
Frackowiak E, Khomenko V, Jurewicz K, Lota K, Beguin F: Суперконденсаторы на основе композитов проводящих полимеров / нанотрубок. J Источники энергии 2006, 153: 413–418. 10.1016 / j.jpowsour.2005.05.030
Артикул Google Scholar
3.
Ryu KS, Kim KM, Park NG, Park YJ, Chang SH: Симметричный окислительно-восстановительный суперконденсатор с проводящими полианилиновыми электродами. J Источники энергии 2002, 103: 305–309. 10.1016 / S0378-7753 (01) 00862-X
Артикул Google Scholar
4.
Хоменко В., Фраковяк Э., Бегин Ф .: Определение удельной емкости композитных электродов проводящий полимер / нанотрубки с использованием различных конфигураций ячеек. Electrochim Acta 2005, 50: 2499–2506. 10.1016 / j.electacta.2004.10.078
Артикул Google Scholar
5.
Park JH, Ko JM, Park OO, Kim DW: Емкостные свойства композитного электрода графит / полипиррол, полученного химической полимеризацией пиррола на графитовом волокне. J Источники энергии 2002, 105: 20–25. 10.1016 / S0378-7753 (01) 00915-6
Артикул Google Scholar
6.
Коц Р., Карлен М.: Принципы и применение электрохимических конденсаторов. Electrochim Acta 2000, 45: 2483–2498. 10.1016 / S0013-4686 (00) 00354-6
Артикул Google Scholar
7.
Xu GH, Wang N, Wei JY, Lv LL, Zhang JN, Chen ZM, Xu Q: Приготовление нанокомпозита оксид графена / полианилин с помощью сверхкритического диоксида углерода для электродов суперконденсатора. Ind Eng Chem Res 2012, 51: 14390–14398.10.1021 / ie301734f
Артикул Google Scholar
8.
Ван Дж., Полле Дж., Лим Дж., Данн Б.: Псевдоемкостные вклады в электрохимическое накопление энергии в наночастицах TiO ₂ (анатаз). J. Phys Chem. C 2007, 111: 14925–14931. 10.1021 / jp074464w
Артикул Google Scholar
9.
Шиномия Т., Гупта В., Миура Н.: Влияние метода электрохимического осаждения и микроструктуры на емкостные характеристики наноразмерного оксида марганца. Electrochim Acta 2006, 51: 4412–4419. 10.1016 / j.electacta.2005.12.025
Артикул Google Scholar
10.
Cheng L, Li HQ, Xia YY: гибридный неводный электрохимический суперконденсатор, использующий наноразмерный оксигидроксид железа и активированный уголь. J Solid State Electrochem 2006, 10: 405–410. 10.1007 / s10008-005-0016-8
Артикул Google Scholar
11.
Xia H, Xiao W, Lai MO, Lu L: Простой синтез новых наноструктурированных тонких пленок MnO ₂ и их применение в суперконденсаторах. Nanoscale Res Lett 2009, 4: 1035–1040. 10.1007 / s11671-009-9352-4
Артикул Google Scholar
12.
Li W, Bu YF, Jin H, Zhang WM, Wang S, Wang JC: Подготовка иерархических цветоподобных композитов NiO / восстановленного оксида графена для высокопроизводительных суперконденсаторов. Energy Fuels 2013, 27: 6304–6310. 10.1021 / ef401190b
Артикул Google Scholar
13.
Новоселов К., Гейм А., Морозов С., Цзян Д., Чжан Ю., Дубонос С., Григорьева И., Фирсов А. Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках. Science 2004, 306: 666–669. 10.1126 / science.1102896
Статья Google Scholar
14.
Рейна А., Джиа Х, Хо Дж, Незич Д., Сон Х., Булович В., Дрессельхаус М.С., Конг Дж .: Многослойные графеновые пленки большой площади на произвольных подложках путем химического осаждения из паровой фазы. Nano Lett 2009 г., 9: 30–35. 10.1021 / nl801827v
Артикул Google Scholar
15.
Li X, Cai W, An J, Kim S, Nah J, Yang D, Piner R, Velamakanni A, Jung I, Tutuc E: Синтез больших площадей высококачественных и однородных графеновых пленок на медной фольге . Наука 2009 г., 324: 1312–1314. 10.1126 / science.1171245
Статья Google Scholar
16.
Bao CL, Song L, Xing WY, Yuan BH, Wilkie CS, Huang JL, Guo YQ, Hu Y: Получение графена путем окисления под давлением и мультиплексного восстановления и его полимерных нанокомпозитов путем смешивания расплава на основе маточной смеси. J Mater Chem 2012, 22: 6088–6096. 10.1039 / c2jm16203b
Артикул Google Scholar
17.
Бергер К., Сонг З., Ли Т., Ли Х, Огбазги А.Ю., Фенг Р., Дай З., Марченков А.Н., Конрад Э.Х., Филип Н.: Ультратонкий эпитаксиальный графит: свойства двумерного электронного газа и путь к графену. на основе наноэлектроники. J. Phys Chem B 2004, 108: 19912–19916. 10.1021 / jp040650f
Артикул Google Scholar
18.
Mhamane D, Ramadan W, Fawzy M, Rana A, Dubey M, Rode C, Lefez B, Hannoyer B, Ogale S: От оксида графита до высокодисперсного в воде функционализированного графена путем одностадийной дезоксигенации, индуцированной растительным экстрактом . Green Chem 2011, 13: 1990–1996. 10.1039 / c1gc15393e
Артикул Google Scholar
19.
Шен Дж. Ф., Ху Й.З., Ши М., Лу Х, Цинь Ц, Ли Ц, Е М.: Быстрое и легкое получение нанопластинок оксида графена и восстановленного оксида графена. Chem Mater 2009, 21: 3514–3520. 10.1021 / cm7t
Артикул Google Scholar
20.
Ван Дж., Ян Дж., Пак Дж., Гоу Х, Ван Б., Лю Х., Яо Дж .: Простой синтез и определение характеристик графеновых нанолистов. J Phys Chem C 2008, 112: 8192–8195. 10.1021 / jp710931h
Артикул Google Scholar
21.
Янь Дж., Фан З.Дж., Вэй Т., Цянь В.З., Чжан М.Л., Вэй Ф .: Быстрая и обратимая поверхностная окислительно-восстановительная реакция графен-MnO ₂ композитов в качестве электродов суперконденсатора. Углерод 2010, 48: 3825–3833. 10.1016 / j.carbon.2010.06.047
Артикул Google Scholar
22.
Jin XB, Zhou WZ, Zhang SW, Chen GZ: Наноразмерные микроэлектрохимические ячейки на углеродных нанотрубках. Small 2007, 3: 1513–1517. 10.1002 / smll.200700139
Артикул Google Scholar
23.
Hummers WS, Offeman RE: Получение оксида графита. J Am Chem Soc 1958, 80: 1339–1339. 10.1021 / ja01539a017
Артикул Google Scholar
24.
Wu ZS, Ren WC, Wang DW, Li F, Liu BL, Cheng HM: высокоэнергетические MnO ₂ нанопроволока / графен и асимметричные электрохимические конденсаторы графена. ACS Nano 2010, 4: 5835–5842. 10.1021 / nn101754k
Артикул Google Scholar
25.
Stoller MD, Park SJ, Zhu YW, An JH, Ruoff RS: ультраконденсаторы на основе графена. Nano Lett 2008, 8: 3498–3502. 10.1021 / nl802558y
Артикул Google Scholar
26.
Zhi MJ, Xiang CC, Li JT, Li M, Wu NQ: Наноструктурированные композитные электроды из углеродно-металлического оксида для суперконденсаторов: обзор. Nanoscale 2013, 5: 72–88. 10.1039 / c2nr32040a
Артикул Google Scholar
27.
Станкович С., Дикин Д.А., Доммет ГХБ, Колхас К.М., Зимней Э.Дж., Стах Е.А., Пинер Р.Д., Нгуен С.Т., Руофф Р.С.: Композиционные материалы на основе графена. Nature 2006, 442: 282–286. 10.1038 / nature04969
Артикул Google Scholar
28.
Qu DY: Исследования активированных углей, используемых в двухслойных суперконденсаторах. J Источники энергии 2002, 109: 403–411. 10.1016 / S0378-7753 (02) 00108-8
Артикул Google Scholar
29.
Li J, Yang QM, Житомирский И. Композитные электроды для электрохимических суперконденсаторов. Nanoscale Res Lett 2010, 5: 512–517. 10.1007 / s11671-009-9518-0
Артикул Google Scholar
30.
Peng LL, Peng X, Liu BR, Wu CZ, Xie Y, Yu GH: ультратонкие двумерные гибридные наноструктуры MnO ₂ / графен для высокопроизводительных гибких плоских суперконденсаторов. Nano Lett 2013, 13: 2151–2157.10.1021 / nl400600x
Артикул Google Scholar
31.
Chen S, Zhu JW, Wu XD, Han QF, Wang X: оксид графена MnO ₂ -нанокомпозиты для суперконденсаторов. ACS Nano 2010, 4: 2822–2830. 10.1021 / nn_1t
Артикул Google Scholar
32.
Li ZJ, Zhou ZH, Yun GQ, Shi K, Lv XW, Yang BC: Высокопроизводительные твердотельные суперконденсаторы на основе гибридных нанокомпозитов графен-ZnO. Nanoscale Res Lett 2013, 8: 363. 10.1186 / 1556-276X-8-363
Артикул Google Scholar
33.
Gao HC, Xiao F, Ching CB, Duan HW: высокоэффективный асимметричный суперконденсатор на основе графенового гидрогеля и наноструктурированного MnO ₂. Интерфейсы приложения ACS Mater 2012, 4: 2801–2810. 10.1021 / am300455d
Артикул Google Scholar
34.
Zhang JT, Jiang JW, Li HL, Zhao XS: высокоэффективный асимметричный суперконденсатор, изготовленный с электродами на основе графена. Energy Environ Sci 2011, 4: 4009–4015. 10.1039 / c1ee01354h
Артикул Google Scholar
35.
Fic K, Lota G, Meller M, Frackowiak E: Новое понимание нейтральной среды как электролита для высоковольтных суперконденсаторов. Energy Environ Sci 2012, 5: 5842–5850. 10.1039 / c1ee02262h
Артикул Google Scholar
36.
Ли Дж. С., Ким С. И., Юн Дж. К., Джанг Дж. Х .: Химическое осаждение из газовой фазы мезопористых графеновых наношаров для суперконденсатора. ACS Nano 2013, 7: 6047–6055. 10.1021 / nn401850z
Артикул Google Scholar
37.
Конвей BE: Электрохимические суперконденсаторы: научные основы и технологические применения . Нью-Йорк: Kluwer Academic / Plenum; 1999. Глава 16, Поведение импеданса переменного тока электрохимических конденсаторов и других электрохимических систем, 506–509 Глава 16, Поведение импеданса переменного тока электрохимических конденсаторов и других электрохимических систем, 506–509
Книга Google Scholar
38.
Burke A: Ультраконденсаторы: зачем, как и где находятся технологии. J Источники энергии 2000, 91: 37–50. 10.1016 / S0378-7753 (00) 00485-7
Артикул Google Scholar
39.
Нишино А: Конденсаторы: принципы работы, текущий рынок и технические тенденции. J Источники энергии 1996, 60: 137–147. 10.1016 / S0378-7753 (96) 80003-6
Артикул Google Scholar
Наноленты оксида графена и их применение в суперконденсаторах
[1].Болен О., Коваль Дж., Зауэр Д. У., J. Power Sources Vol. 172 (2007) стр. 468-75.
[2] .Lewandowski, A., Galinski, M., J. Power Sources Vol. 173 (2007) стр. 822-28.
[3] .Winter, M., Brodd, R.J., J. Chem. Rev. Vol. 104 (2004) стр. 4245-69.
[4]. Пандольфо А.Г., Холленкамп А.Ф., J. Power Sources Vol. 157 (2006) стр. 11-27.
[5] .Lokhande, C.D., Dubal, D.P., Joo, O.-S., J. Current Applied Physics Vol. 11 (2011) с. 255-70.
[6]. Чжан, Й., Фэн, Х., Ву, X., Ван, Л., Чжан, А., Ся, Т., Дун, Х., Ли, Х., Чжан, Л., Междунар. J. Hydrogen Energy Vol.34 (2009), стр. 4889-99.
[7] .Инагаки, М., Конно, Х., Танаике, О., J. Power Sources Vol. 195 (2010) стр. 7880-7903.
[8] .Wang, G., Ling, Y., Qian, F., Yang, X., Liu, X.-X., Li, Y., J. Power Sources Vol. 196 (2011) стр. 5209-14.
[9]. Чжан, Х., Цао, Дж., Ян, Ю., Гу, З., Дж. Электрохим. Soc. Vol. 155 (2008) стр. K19-K22.
[10]. Э. Фраковяк, С. Дельпе, К. Юревич, К. Шостак, Д. Касорла-Аморос, Ф. Бегин,
Повышенная емкость углеродных нанотрубок за счет химической активации, Chem.Phys. Lett. Vol. 361 (2002) стр. 35-41.
[11]. Ю.-М. Дай, В.-Дж. Лю, Т.-К. Пан, Ж.-М. Дженг, Поверхностная активация на многостенных углеродных нанотрубках для электрохимических конденсаторов, Appl. Серфинг. Sci. Vol. 258 (2012) стр. 3027-3032.
[12]. K. Jurewicz, K. Babeł, R. Pietrzak, S. Delpeux, H. Wachowska, Емкостные свойства многослойных углеродных нанотрубок, модифицированных активацией и аммоксидированием, CarbonVol. 44 (2006) стр. 2368-2375.
[13]. К.-К. Ху, Ж.-Х. Су, Т.-К. Вен, Модификация многослойных углеродных нанотрубок для электрических двухслойных конденсаторов: открытие трубки и функционализация поверхности, J.

Марганцовка и графен для суперконденсатора: Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора

Водная суспензия графена упростила нанесение электродов суперконденсатора

С помощью графена и DVD-привода создан суперконденсатор сверхвысокой мощности

Новости / Служба новостей ТПУ

Российские физики улучшили работу “конденсаторов будущего”

О науке, высшей школе, жизни учёных на Дальнем Востоке : июля 2011

Влияние ионов калия на образование смешанных валентных нанокомпозитов оксид марганца / графен

3.1. Характеристики материалов

3.2. Электрохимические свойства

Восстановленный оксид графена – Графенея

Оксид графита

Оксид графита в оксид графена

Оксид графена в восстановленный оксид графена

Рекомендуемые товары

Суперконденсаторы на основе графена | XY Kao

1 ВВЕДЕНИЕ

2 НАСТРОЙКА

3 РЕЗУЛЬТАТЫ

Синтез оксида графена модифицированным методом Хаммерса

Взаимно-штыревая геометрия

Лазерная разметка с помощью лазера Epilog 40 Вт

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

5 БЛАГОДАРНОСТИ

6 ССЫЛКИ

Влияние восстановителя на получение и электроактивность Mn…: Ingenta Connect

Наноленты оксида графена и их применение в суперконденсаторах

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ