RU2644579C1 - Способ сборки наноматериалов из графена - Google Patents

Способ сборки наноматериалов из графена Download PDF

Info

Publication number
RU2644579C1
RU2644579C1 RU2016149001A RU2016149001A RU2644579C1 RU 2644579 C1 RU2644579 C1 RU 2644579C1 RU 2016149001 A RU2016149001 A RU 2016149001A RU 2016149001 A RU2016149001 A RU 2016149001A RU 2644579 C1 RU2644579 C1 RU 2644579C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrodes
graphene
nanomaterials
sheets
graphene sheets
Prior art date
Application number
RU2016149001A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Иванович Жебелев
Original Assignee
Сергей Иванович Жебелев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сергей Иванович Жебелев filed Critical Сергей Иванович Жебелев
Priority to RU2016149001A priority Critical patent/RU2644579C1/ru
Priority to US16/468,272 priority patent/US20210039953A1/en
Priority to PCT/RU2018/000002 priority patent/WO2018111157A1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2644579C1 publication Critical patent/RU2644579C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/194—After-treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
    • H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00—Structure or properties of graphene
    • C01B2204/20—Graphene characterized by its properties
    • C01B2204/22—Electronic properties
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству углеродных наноматериалов, которые могут быть использованы для изготовления электродов в суперконденсаторах. Наноматериалы получают из графена путем сборки листов графена, при этом листы графена подвергают электродинамическому ожижению, при котором при встречных столкновениях графеновых листов с зарядами противоположного знака происходит соединение их химически активных краев с образованием ковалентных связей с последующим образованием агрегатов и макроструктур. Последовательное соединение листов при столкновениях приводит к образованию прочных и развитых макроструктур с высокой электропроводностью и большой поверхностью, которые являются материалом для изготовления электродов суперконденсатора. Способ позволяет получать наноматериалы для изготовления электродов суперконденсаторов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта, что является техническим результатом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области производства углеродных наноматериалов и может быть использовано для изготовления электродов в суперконденсаторах.
Основной задачей при производстве суперконденсаторов является повышение емкости и электропроводности материалов для изготовления электродов. Использование графена в таких материалах увеличивает их удельную поверхность до 2600 м2/г и более (А. Елецкий, Изготовление суперконденсатора на основе графена с помощью лазера. Перст, 2012, в. 19, №13-14).
Известен способ получения композитного материала для электрода суперконденсатора (RU 2 495 509, опубл. 10.10.2013), включающий синтез электропроводящих полимеров или их замещенных производных в процессе окислительной полимеризации соответствующих мономеров на поверхности углеродных материалов. Экологически приемлемый способ заключается в том, что полимеризацию проводят в присутствии растворенных в реакционной смеси фермента лактазы, кислых допантов, окислителя и редокс-медиатора ферментативной реакции.
Недостатком способа является низкая производительность вследствие большой длительности этапов его реализации.
Известен патент на электродный материал для конденсатора электрического, способ его изготовления и суперконденсатор электрический (RU 2427052, опубликовано 20.08.2011). Согласно изобретению электродный материал имеет металлизированную активную углеродную основу из смеси активный уголь 70-90%, электронопроводящая добавка 5-20%, полимерное связующее с органическим растворителем 5-10%. Электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок длиной 2 мкм и наружным диаметром 15-40 нм и/или технического углерода с размером частиц 13-120 нм. Для получения электродного материала смесь перед уплотнением подвергают фибриллизации при температуре 50°С. Затем формуют активную углеродную основу и термообрабатывают при температуре 100°С с последующей металлизацией. Суперконденсатор электрический содержит электроды, выполненные из электродного материала.
Недостаток способа заключается в многостадийности и ограниченной емкости при использовании традиционных материалов (активированный уголь).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение наноматериалов для изготовления электродов суперконденсаторов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта.
Данная задача решается за счет того, что для получения материала для электродов суперконденсатора используют способ сборки листов графена, отличающийся тем, что листы графена подвергают электродинамическому ожижению, при котором при встречных столкновениях графеновых листов с зарядами противоположного знака происходит соединение их краев с образованием ковалентных связей с последующим образованием агрегатов и макроструктур.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является получение наноматериалов для изготовления электродов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
В предлагаемом способе получения материала процесс производится в режиме электродинамического ожижения листов графена в электрическом поле между разноименно заряженными электродами. Если в свободном состоянии графен не имеет жесткости и складывается в комок, то в электрическом поле при заряде на электроде лист графена распрямляется за счет сил кулоновского отталкивания в плоскую частицу. Колебательное движение частиц между электродами при их перезарядке на электродах происходит при условии qU/d>mg, где q - заряд частицы, U - разность потенциалов электродов, d - межэлектродное расстояние, m - масса частицы, g - ускорение силы тяжести. При достаточно большой концентрации частиц в межэлектродном пространстве образуются два встречных противоположно-заряженных потока частиц, испытывающих столкновения. Для сталкивающихся листов графена, движущихся к электродам противоположного знака заряда и ориентированных по полю, столкновение происходит по встречным краям листов. Края листов графена содержат атомы углерода с несвязанной π-орбиталью, которые образуют при столкновении устойчивые ковалентные соединения, а листы образуют агрегат (составную частицу). Если соединения не произошло, а был только электрический контакт, то частицы компенсируют заряд друг друга, оставшийся заряд распределяют в соответствии их размерам и расходятся из-за кулоновского отталкивания. В дальнейшем агрегаты также испытывают столкновения, укрупняются и превращаются в макроструктуры, которые используют для изготовления электродов суперконденсатора.
На прилагаемом чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
Способ осуществляют следующим образом.
В качестве источника для получения материала используются листы графена, которые помещают в электрическое поле между двумя электродами, при разности потенциалов, достаточном для ожижения, когда сила, действующая на частицу со стороны электрического поля Fe=qU/d больше силы тяжести Fg=mg, где q-заряд частицы, U - разность потенциалов электродов, d - межэлектродное расстояние, m - масса частицы, g - ускорение силы тяжести. Двумерная решетка графена состоит из правильных шестиугольников со стороной
Figure 00000001
=0,1418 нм и площадью 5,35⋅10-20 м2 по два атома углерода на ячейку (Елецкий А.В., Искандарова И.М., Книжник А.А. и др. Графен: методы получения и теплофизические свойства. Успехи физических наук, 2011, т. 181, №3, с. 233-250). Удельная масса графена на единицу площади при массе одного атома углерода 1.993⋅10-26 кг равна ρgr=2⋅1.993⋅10-26 кг/5,35⋅10-20 м2=7,45⋅10-7 кг/м2. Для листа графена площадью S, лежащего на электроде, плотность заряда равна плотности заряда электрода σ=ε0U/d, где ε0=8.85⋅10-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость. Тогда заряд листа графена равен q=S σ=Sε0U/d. Масса листа графена m=S⋅ρgr. Условие ожижения листов графена Fe>Fg дает величину необходимой напряженности электрического поля U/d:
(U/d)2>(ρgr⋅g)/ε0, U/d>0,9⋅103 В/м,
которая не зависит от размера листа графена. Эта величина сравнительно мала для обычных значений напряженности электрического поля при электродинамическом ожижении порядка 106 В/м, что говорит о большом диапазоне регулирования процесса.
Скорость движения частиц при электродинамическом ожижении зависит от среды, заполняющей межэлектродное пространство. Для газовой среды при атмосферном давлении при малом значении числа Рейнольдса сопротивление среды движению микрочастиц определяется сопротивлением трения, а не сопротивлением формы, причем частицы двигаются с постоянной скоростью (Мяздриков О.А. Электродинамическое псевдоожижение дисперсных систем. Л.: Химия, 1984.). По Ньютону сила сопротивления равна Fc=η⋅(V/h)⋅S, где η - кинематическая вязкость среды, V - скорость частицы, h - толщина пограничного слоя, S - площадь поверхности частицы. Для сферических частиц S=4π r2, где r - радиус частицы, h=2/3r и Fc=6 π η rV - формула Стокса. При предположении, что листы графена имеют форму, близкую к диску, можно положить S=2π r2, h=2/3r и тогда Fc=3 π η rV. При Fc=Fe постоянная скорость частицы радиуса r равна:
V=(1/3)⋅(ε0/η)⋅r⋅(U/d)2.
Таким образом, скорость частиц пропорциональна их размерам. Это означает, что частицы больших размеров будут иметь большую скорость и соответственно большую возможность присоединять более мелкие частицы с дальнейшим ростом до агрегатов и макроструктур. Для U/d=106 В/м и r=0,5⋅10-6 м скорость частиц в воздухе составляет 7,3⋅10-2 м/с. Для эффективного образования макроструктур требуется достаточная концентрация частиц, вовлеченных в процесс электродинамического ожижения. Математическое моделирование этого процесса и сравнение с экспериментальными данными (Жебелев С.И. Статистическое моделирование псевдоожижения микрочастиц в электрическом поле. ИФЖ, 1991 г., т. 60, №1, стр. 64-72) показало, что, когда количество столкновений частиц максимально, концентрация микрочастиц превышает концентрацию монослоя N=l/(Scp⋅d), где Scp - средняя площадь частиц,. Для Scp=πr2, r=0,5⋅10-6 м, d=10-2 м концентрация равна N=1,21⋅1014 м-3. Достаточную концентрацию частиц можно получить или избыточной подачей исходного материала в межэлектродное пространство (с образованием отложений избыточных частиц на нижнем электроде), или выбором электродов специальной формы с неоднородным электрическим полем.
Способ позволяет получать наноматериалы для изготовления электродов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующим примером
Пример
На чертеже показана схема устройства для получения материала. В устройстве используются два расходящихся электрода для образования потока частиц еще и вдоль электродов. При этом используют загрузку исходного материала в узкой части межэлектродного пространства и выгрузку продукта в его более широкой части. Как известно (Мяздриков О.А. Электродинамическое псевдоожижение дисперсных систем. Л.: Химия, 1984), при непараллельных электродах при автоколебательном движении частицы движутся по криволинейным траекториям и за счет центробежной силы отбрасываются в сторону меньшей напряженности поля U/d. Центробежная сила пропорциональна квадрату скорости движения частиц между электродами V2 и пропорциональна r4. За счет сопротивления среды, пропорциональной размеру частицы r, скорость перемещения частиц вдоль электродов пропорциональна r3. Таким образом, чем крупнее частица (макроструктура), тем быстрее она покидает межэлектродное пространство. Это свойство может быть также использовано для предварительной сортировки исходного материала по размеру аналогично хроматографии для молекулярных веществ. Для предотвращения слипания листов графена в готовом продукте при пропитке электролитом следует осуществлять этот процесс в заряженном состоянии. В схеме устройства, изображенной на чертеже, предусмотрен накопитель, в пространстве которого продукт находится в электрическом поле, недостаточном для ожижения частиц (меньше 103 В/м), но достаточном для их заряда при пропитке готового продукта электролитом. Целесообразно заполнение внутреннего пространства устройства гелием (газом с малой растворимостью и низкой адсорбционной способностью) для предотвращения адсорбции посторонних газов на поверхности графена и растворения в электролите. Таким образом, предложенный способ позволяет получать наноматериалы для изготовления электродов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта.

Claims (3)

1. Способ получения наноматериала из графена для изготовления электродов суперконденсатора, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют листы графена, которые подвергают электродинамическому ожижению, при котором при встречных столкновениях листов графена с зарядами противоположного знака происходит соединение их краев с образованием ковалентных связей с последующим образованием агрегатов и макроструктур, которые используют в качестве материала для изготовления электродов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью предотвращения слипания листов графена макроструктуры погружают в электролит в заряженном состоянии.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью предотвращения адсорбции газов в получаемом продукте процесс проводят в атмосфере гелия.
RU2016149001A 2016-12-13 2016-12-13 Способ сборки наноматериалов из графена RU2644579C1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149001A RU2644579C1 (ru) 2016-12-13 2016-12-13 Способ сборки наноматериалов из графена
US16/468,272 US20210039953A1 (en) 2016-12-13 2018-01-09 Method of assembling nanomaterials made from graphene
PCT/RU2018/000002 WO2018111157A1 (ru) 2016-12-13 2018-01-09 Способ сборки наноматериалов из графена

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149001A RU2644579C1 (ru) 2016-12-13 2016-12-13 Способ сборки наноматериалов из графена

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2644579C1 true RU2644579C1 (ru) 2018-02-13

Family

ID=61226760

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016149001A RU2644579C1 (ru) 2016-12-13 2016-12-13 Способ сборки наноматериалов из графена

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20210039953A1 (ru)
RU (1) RU2644579C1 (ru)
WO (1) WO2018111157A1 (ru)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150085427A1 (en) * 2011-02-13 2015-03-26 Jian Xie High surface area nano-structured graphene composites and capacitive devices incorporating the same
CN104884383A (zh) * 2012-12-28 2015-09-02 Posco公司 氧化石墨烯、石墨烯-聚合物复合体、包含石墨烯-聚合物复合体的涂覆液、涂覆石墨烯-聚合物复合体的钢板及其制造方法
CN105244249A (zh) * 2015-10-20 2016-01-13 天津师范大学 一种石墨烯片-碳纳米管膜柔性复合材料及制备方法与应用
US20160016804A1 (en) * 2013-03-08 2016-01-21 Monash University Graphene-based films
US20160225538A1 (en) * 2013-09-11 2016-08-04 Jian Xie Covalently-grafted polyaniline on graphene oxide sheets and its application in electrochemical supercapacitors
WO2016124756A1 (fr) * 2015-02-06 2016-08-11 Thales Procede de depot de nanoparticules et de microparticules carbonees oxydees
CN105900200A (zh) * 2013-11-08 2016-08-24 加利福尼亚大学董事会 基于三维石墨烯框架的高性能超级电容器

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150085427A1 (en) * 2011-02-13 2015-03-26 Jian Xie High surface area nano-structured graphene composites and capacitive devices incorporating the same
CN104884383A (zh) * 2012-12-28 2015-09-02 Posco公司 氧化石墨烯、石墨烯-聚合物复合体、包含石墨烯-聚合物复合体的涂覆液、涂覆石墨烯-聚合物复合体的钢板及其制造方法
US20160016804A1 (en) * 2013-03-08 2016-01-21 Monash University Graphene-based films
US20160225538A1 (en) * 2013-09-11 2016-08-04 Jian Xie Covalently-grafted polyaniline on graphene oxide sheets and its application in electrochemical supercapacitors
CN105900200A (zh) * 2013-11-08 2016-08-24 加利福尼亚大学董事会 基于三维石墨烯框架的高性能超级电容器
WO2016124756A1 (fr) * 2015-02-06 2016-08-11 Thales Procede de depot de nanoparticules et de microparticules carbonees oxydees
CN105244249A (zh) * 2015-10-20 2016-01-13 天津师范大学 一种石墨烯片-碳纳米管膜柔性复合材料及制备方法与应用

Also Published As

Publication number Publication date
US20210039953A1 (en) 2021-02-11
WO2018111157A1 (ru) 2018-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bandyopadhyay et al. Facile synthesis of novel sulfonated polyaniline functionalized graphene using m-aminobenzene sulfonic acid for asymmetric supercapacitor application
Zhu et al. Supercapacitors based on three-dimensional hierarchical graphene aerogels with periodic macropores
Wang et al. Free-standing 3D graphene/polyaniline composite film electrodes for high-performance supercapacitors
Du et al. Polyaniline-modified oriented graphene hydrogel film as the free-standing electrode for flexible solid-state supercapacitors
Wang et al. Ultralow electrical percolation in graphene aerogel/epoxy composites
Qiu et al. Vertically aligned carbon nanotubes on carbon nanofibers: a hierarchical three-dimensional carbon nanostructure for high-energy flexible supercapacitors
She et al. Decorating graphene oxide with ionic liquid nanodroplets: an approach leading to energy-dense, high-voltage supercapacitors
Sajedi-Moghaddam et al. Two-dimensional transition metal dichalcogenide/conducting polymer composites: synthesis and applications
Roberts et al. Porous carbon spheres and monoliths: morphology control, pore size tuning and their applications as Li-ion battery anode materials
Zu et al. Superelastic multifunctional aminosilane-crosslinked graphene aerogels for high thermal insulation, three-component separation, and strain/pressure-sensing arrays
Kumar et al. Electrochemical supercapacitors from conducting polyaniline–graphene platforms
Fan et al. Flexible free-standing 3D porous N-doped graphene–carbon nanotube hybrid paper for high-performance supercapacitors
Xu et al. In situ polymerization approach to graphene-reinforced nylon-6 composites
Yu et al. Self-assembled graphene/carbon nanotube hybrid films for supercapacitors
Guo et al. DNA-assisted assembly of carbon nanotubes and MnO 2 nanospheres as electrodes for high-performance asymmetric supercapacitors
Han et al. Compressible, dense, three-dimensional holey graphene monolithic architecture
Cao et al. Synthesis of adenine-modified reduced graphene oxide nanosheets
Liu et al. Two-dimensional nanomaterials-based polymer composites: fabrication and energy storage applications
CN110073458B (zh) 褶皱状石墨烯复合体的制备方法、由此制备的复合体及包含复合体的超级电容器
Oraon et al. Hierarchical self-assembled nanoclay derived mesoporous CNT/polyindole electrode for supercapacitors
JPWO2012073998A1 (ja) カーボンナノチューブ連結のグラフェンシートフィルムとその製造方法及びそれを用いたグラフェンシートキャパシター
Chen et al. Simple synthesis of flower-like manganese dioxide nanostructures on cellulose nanocrystals for high-performance supercapacitors and wearable electrodes
Hajian et al. Recyclable and superelastic aerogels based on carbon nanotubes and carboxymethyl cellulose
Zhang et al. All-carbon composite paper as a flexible conducting substrate for the direct growth of polyaniline particles and its applications in supercapacitors
Gong et al. Synthesis on winged graphene nanofibers and their electrochemical capacitive performance

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20190514