Вибори директора
  1. Головна
  2. Структура
  3. Матеріалознавство порошкових та композиційних матеріалів і покриттів
  4. Публікація

Електропровідні композити на основі оксидів металів та вуглецевих наноструктур

О.Д.Золотаренко 1*,
 
О.П.Рудакова  2,
 
Н.Е.Аханова 3,
 
А.Д.Золотаренко 2,
 
Д.В.Щур 2,
 
М.Т.Габдуллин 3,
 
М.Уалханова 4,
 
Н.А.Гаврилюк 1,
 
М.В.Чимбай 2,
 
Ю.О.Тарасенко 1,
 
І.В.Загорулько 5,
 
О.Д.Золотаренко 2
 

1 Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України, вул. Генерала Наумова, 17, Київ, 03164, Україна
2 Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України , вул. Омеляна Пріцака, 3, Київ, 03142, Україна
3 Казахстансько-британський технічний університет, вул. Толе бі, 59,, Алмати, 050000 , Казахстан
4 Національна нанотехнологічна лабораторія (NNLOT), Казахський національний університет ім. Аль-Фарабі , просп. Аль-Фарабі, 71, Алмати, 050040, Казахстан
5 Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, Київ, 03142, Україна
O.D.Zolotarenko@gmail.com

Металофізика та Новітні Технології, 2021, Т.10, #43
https://doi.org/10.15407/mfint.43.10.1417.

Анотація

Одержано електропровідні вуглецево-оксидні композити на основі Al2O3 і TiO2, призначені для 3D-друку (CJP), та досліджено залежності питомої провідності одержаних композитів від умов одержання та типів використовуваних вуглецевих наноструктур (ВНС). Методом просвічувальної електронної мікроскопії досліджено структуру і фазовий склад зразків, а їхню поверхню вивчено з використанням автоемісійного растрового електронного мікроскопа. Електропровідність матеріалів визначали на потенціостаті. Визначено оптимальні умови формування композитів на основі оксидів Al2O3 або TiO2 з вуглецевими нанотрубками (ВНТ) і нановолокнами шляхом обробки сумішей у планетарному кульовому змішувачі, які ідеально підходили б для приготування матеріалів для 3D-друку (CJP). Встановлено залежність електропровідності композитів від вмісту ВНС (1–5% мас.). Показано, що додавання 3% мас. ВНТ до оксидів призводить до різкого збільшення електропровідності: від 5,0⋅10−8 до 2,8⋅10−4 См/см для Al2O3 і від 5,0⋅10−6 до 2,2⋅10−2 См/см для TiO2. Доведено, що композити на основі оксиду вуглецю є перспективними носіями каталізаторів електродних процесів в електрохемічних пристроях. Виявлено, що каталізатор Pt/TiO2–ВНТ з вмістом ВНТ 5 мас.% має найкращу каталітичну активність у відновленні кисню в моделювальному електрод-катоді паливного елемента. Технологію 3D-друку (CJP) електропровідного композиту (кераміка–ВНТ) можна використовувати для модифікації керамічних паливних елементів. Окрім того, використання технології CJP дозволить здешевити виробництво електродів для паливних елементів. Композит з 5% мас. ВНТ є найефективнішим. Композит з вмістом ВНТ 3% мас. має меншу кількість протяжних вуглецевих структур, що забезпечує перенесення електронів, а в зразках з 15% мас. та 50% мас. ВНТ низька ефективність Pt-каталізатора може бути пов’язана з труднощами контакту реакційного середовища через велику кількість вуглецевого матеріалу.


Посилання

1. D. V. Schur and V. A. Lavrenko, Vacuum, 44, No. 9: 897 (1993).

2. D. V. Schur, A. Veziroglu, S. Y. Zaginaychenko, Z. A. Matysina, T. N. Veziroglu, M. T. Gabdullin, T. S. Ramazanov, An. D. Zolotarenko, and Al. D. Zolotarenko, International Journal of Hydrogen Energy, 44, No. 45: 24810 (2019).

3. Z. A. Matysina, S. Y. Zaginajchenko, D. V. Shhur, A. D. Zolotarenko, Al. D. Zolotarenko, and T. M. Gabdullin, Alternativnaya Energetika i Ekologiya, 13–15: 37 (2017) (in Russian). 4. Z. A. Matysina, S. Y. Zaginaichenko, D. V. Schur, T. N. Veziroglu, A. Veziroglu, M. T. Gabdullin, Al. D. Zolotarenko, and An. D. Zolotarenko, International Journal of Hydrogen Energy, 43, No. 33: 16092 (2018).

5. Z. A. Matysina, S. Y. Zaginaichenko, D. V. Schur, Al. D. Zolotarenko, An. D. Zolotarenko, and M. T. Gabdullin, Russian Physics Journal, 61, No. 2: 253 (2018).

6. N. S. Anikina, D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, A. D. Zolotarenko, and O. Ya. Krivushenko, Proc. of 10th International Conference ‘Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Sept. 22–28, 2007) (Sudak, Crimea, Ukraine: 2007).

7. Z. A. Matysina, S. Yu. Zaginaychenko, and D. V. Schur, Rastvorimost Primesey v Metallakh, Splavakh, Intermetallidakh, Fulleritakh [Solubility of Impurities in Metals, Alloys, Intermetallics, Fullerites] (Dnepropetrovsk: Nauka i Obrazovanie: 2006) (in Russian).

8. D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, A. F. Savenko, V. A. Bogolepov, N. S. Anikina, A. D. Zolotarenko, Z. A. Matysina, N. Veziroglu, and N. E. Scryabina, International Journal of Hydrogen Energy, 36, No. 1: 1143 (2011).

9. D. V. Schur, A. D. Zolotarenko, A. D. Zolotarenko, O. P. Zolotarenko, M. V. Chimbai, N. Y. Akhanova, M. Sultangazina, and E. P. Zolotarenko, Physical Sciences and Technology, 6, No. 1–2: 46 (2019).

10. A. A. Volodin, A. D. Zolotarenko, A. A. Bel’mesov, E. V. Gerasimova, D. V. Schur, V. R. Tarasov, S. Yu. Zaginaichenko, S. V. Doroshenko, An. D. Zolotarenko, and Al. D. Zolotarenko, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotehnologii, 12, No. 4: 705 (2014).

11. V. A. Lavrenko, I. A. Podchernyaeva, D. V. Shchur, An. D. Zolotarenko, and Al. D. Zolotarenko, Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 56, No. 9–10: 504 (2018).

12. N. Akhanova, S. Orazbayev, M. Ualkhanova, A. Y. Perekos, A. G. Dubovoy, D. V. Schur, Al. D. Zolotarenko, An. D. Zolotarenko, N. A. Gavrylyuk, M. T. Gabdullin, and T. S. Ramazanov, Journal of Nanoscience and Nanotechnology Applications, 3, No. 3: 1 (2019).

13. A. G. Dubovoj, A. E. Perekos, V. A. Lavrenko, Yu. M. Rudenko, T. V. Efimova, V. P. Zalustkii, T. V. Rushitskaya, A. V. Kotko, Al. D. Zolotarenko, and An. D. Zolotarenko, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotehnologii, 11, No. 1: 131 (2013) (in Russian).

14. S. Yu. Zaginajchenko, D. V. Schur, M. T. Gabdullin, N. F. Dzhavadov, Al. D. Zolotarenko, An. D. Zolotarenko, A. D. Zolotarenko, S. H. Mamedova, G. D. Omarova, and Z. T. Mamedova, Alternativnaya Energetika i Ekologiya (ISJAEE), No. 19–21: 72 (2018) (in Russian).

15. N. S. Anikina, O. Ya. Krivushhenko, D. V. Schur, S. Yu. Zaginajchenko, S. S. Chuprov, K. A. Mil’to, and A. D. Zolotarenko, Proc. of IX Int. Conf. ‘Hydrogen Material Science and Chemistry of Metal Hydrides’ (Sept. 5–11, 2005) (Sevastopol, Crimea, Ukraine), p. 848 (in Russian).

16. N. S. Anikina, D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, and A. D. Zolotarenko, Proc. of 10th International Conference ‘Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Sept. 22–28, 2007) (Sudak, Crimea, Ukraine: 2007).

17. D. V. Schur, S. Y. Zaginaichenko, and A. D. Zolotarenko, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems. NATO Science Series, 85 (2008).

18. D. V. Schur, Z. S. Yu., E. A. Lysenko, T. N. Golovchenko, and N. F. Javadov, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems (2008).

19. D. V. Schur, N. S. Astratov, A. P. Pomytkin, and A. D. Zolotarenko, Trudy VIII Mezhdunarodnoj Konferentsii Vodorodnoe Materialovedenie i Himiya (Sept. 14–20, 2003) (Sudak, Crimea, Ukraine: 2003) p. 424 (in Russian).

20. Y. M. Shul’ga, S. A. Baskakov, A. D. Zolotarenko, E. N. Kabachkov, V. E. Muradjan, D. N. Voilov, V. A. Smirnov, V. M. Martynenko, D. V. Schur, and A. P. Pomytkin, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotekhnologii, 11, No. 1: 161 (2013) (in Russian).

21. Y. I. Sementsov, N. A. Gavriluk, G. P. Prikhod’ko, and T. A. Aleksyeyeva, Carbon Nanomaterials in Clean Energy Hydrogen Systems, 327 (2008).

22. Y. I. Sementsov, N. A. Gavrilyuk, G. P. Prikhod’ko, and A. V. Melezhyk, Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials, 757 (2007).

23. G. P. Prihod’ko, N. A. Gavriljuk, L. V. Dijakon, N. P. Kulish, A. V. Melezhik, and Yu. I. Semencov, Nanosistemy, Nanomaterialy, Nanotekhnologii, 4: 1081 (2006) (in Russian). 24. Yu. I. Sementsov, T. A. Alekseeva, M. L. Pjatkovskij, and G. P. Prihod’ko, N. A. Gavrilyuk, N. T. Kartel, Yu. E. Grabovskiy, V. F. Gorchev, and A. Yu. Chunikhin, Proc. IX International conference ‘Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials’ (Sept. 9–13, 2009) (Yalta, Crimea, Ukraine: 2009), p. 782 (in Russian).

25. I. P. Dmytrenko, N. P. Kulish, L. V. Diyakon, N. I. Belyi, L. A. Bulavin, and I. Yu. Prylutskyy, Proc. 8th Biennial International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters IWFAC (July 2–7, 2007) (Saint-Petersburg, Russia: 2007), p. 178.

26. Yu. Sementsov, N. Gavriluk, T. Aleksyeyeva, and O. Lasarenko, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 5, No. 2: 351 (2007).

27. Kompozyty: Pidruchnyk z ASM [Composites: A Textbook on ASM] (Eds. D. B. Miracle and S. L. Donaldson) (ASM International: The Materials Information Company: 2001). 28. J. A. Arsecularatne and L. C. Zhang, Recent Patents on Nanotechnology, 1, No. 3: 176 (2007).

29. D. Eder, Chem. Rev., 110, No. 3: 1348 (2010).

30. Yu. Fan, L. Wang, J. Li, J. Li, S. Sun, F. Chen, L. Chen, and W. Jiang, Carbon, 48, No. 6: 1743 (2010).

31. A. M. Bondar and I. Iordache, J. Optoelectron. Adv. Mater., 8, No. 2: 631 (2006).

32. F-H. Su, Z.-Z. Zhang, K. Wang, W. Jiang. X.-H. Men, and W.-M.Liu, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37, No. 9: 1351 (2006).

33. B. Fényi, N. Hegman, F. Wéber, P. Arató, and Cs. Balázsi, Processing and Application of Ceramics, 1, Iss. 1–2: 57 (2007).

34. G-B. Zheng, H. Sano, and Y. Uchiyama, Composites Part B: Engineering, 42, No. 8: 2158 (2011).

35. S. Guo, R. Sivakumar, H. Kitazawa, and Y. Kagawa, J. Am. Ceram. Soc., 90, No. 5: 1667 (2007).

36. J. Yu, J. Fan, and B. Cheng, Journal of Power Sources, 196, No. 18: 7891 (2011).

37. O. Yu. Ivanshina, M. E. Tamm, E. V. Gerasimova, M. P. Kochugaeva, M. N. Kirikova, S. V. Savilov, and L. V. Yashina, Inorganic Materials, 47, No. 6: 618 (2011).

38. C. Martínez, M. Canle L., M. I. Fernández, J. A. Santaballa, and J. Faria, Applied Catalysis B: Environmental, 102: Iss. 3: 563 (2011).

39. X. L. Li, C. Li, Y. Zhang, D. P. Chu, W. I. Milne, and H. J. Fan, Nanoscale Res. Lett., 5, 1836 (2010).

40. L. Jiang and L. Gao, J. Mater. Chem., 15, Iss. 2: 260 (2005).

41. S.-L. Shi and J. Liang, J. Appl. Phys., 101: 023708 (2007).

42. Z.-S. Wu, G. Zhou, L.-C. Yin, W. Ren, F. Li, and H.-M. Cheng, Nano Energy, 1, Iss. 1:107 (2012).

43. P. Yu. Butyagin and A. N. Streletskii, Physics of the Solid State, 47: 856 (2005).

Публікації