Қазақстан Республикасының білім жəне ғылым министрлігі
Электропроводящий текстиль полученный методом осаждения углеродных
жүктеу/скачать 31,15 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
- Некоторые аспекты исследования и разработки электродных материалов для создания конденсаторов с двойным электрическим слоем
- Синтез и разработка двумерных гетероструктур на основе графена и дихалькогенидов переходных металлов
Электропроводящий текстиль полученный методом осаждения углеродных нанотрубок на стеклоткань с наночастицами катализатора, полученные методом solution combustion [3] Представлены результаты по получения электропроводящего смарт-текстиля, который был получен синтезом углеродных нанотрубок на стеклоткани с наночастицами оксида кобальта, полученного методом solution combustion. Наночастицы оксида кобальта были осаждены на поверхность стекловолокон. Для приготовления катализаторов образец стеклоткани размером 5 см 2
муфельной печи. Затем, исходя из массы исходного образца стеклоткани пропитывали рассчитанным количеством водных растворов солей нитрата кобальта и глицина. Использование нитратов и хлоридов металлов обусловлено тем, что нитраты хорошо растворяются в воде и одновременно играют роль окислителя, а температура 500-600 ºС, достаточна для протекания реакции и образования оксида металла. C 2 H 5 NO 2 – глицин, в данном случае выступает в роли горючего. Затем образец подсушивали в течение 30 минут на воздухе при температуре 100 °С. После чего образец катализатора помещали в муфельную печь, где выдерживался в течение 1 часа, при температуре 500-600 °С. Глицин разлагается при температуре 500 – 600 ºС реакция является экзотермичной с повышением температуры до 1200 ºС. Образующиеся газообразные продукты в виде CO 2 , N
2 и H
2 O предотвращают комкование катализатора в виде оксидов металлов. Термообработка в воздушной среде, обеспечивает дополнительные молекулы кислорода, необходимым для образования оксида металла. Образующиеся наночастицы оксида металла кобальта имеют размеры 30-100 нм являются катализаторами роста углеродных нанотрубок на поверхности стеклоткани. Синтез углеродных нанотрубок проводили на установке для химического парофазного осаждения. Установка CVD (рисунок 2) состоит из печки с тремя зонами нагрева, трубчатого кварцевого реактора. Расход газов: He – 650 см 3 /мин, H 2 – 150 см 3
2 H 2 – 19,5 см 3 /мин. Температура всех трех зон нагрева – 710 ºС, время синтеза – 20 мин. Для установления электропроводящих свойств полученного материала, были измерены сопротивление и сняты вольт-амперные характеристики. Чистая стеклоткань является диэлектриком, не проводящий электрический ток. На рисунке 3 проиллюстрирован процесс измерения сопротивления образца стеклоткани с Со 3 О 4 площадью 4,95 cm 2 . Для
данного образца сопротивление составляло R = 1,7 Ω, соответственно удельное сопротивление равно R sp = 0,3636 Ω/cm 2 .
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
41
нанотрубками на Со 3 О 4
Как видно из графика при силе тока 1.25 A, образец нагревается до 100 °C, увеличение приложенной силы тока до 3.25 A приводит к возрастанию температуры до 380 °C. Дальнейшее увеличение силы тока приводит к дымлению образца так как при более высокой температуре начинается окисление углеродных нанотрубок кислородом воздуха. Как видно из полученного графика, полученный материал имеет хорошие проводниковые свойства и имеют хороший Джоулев нагрев. Таким образом, полученные данные подтверждают возможность изготовления на основе полученного материала гибких нагревательных элементов и изделий из них. А полученный материал является электропроводящим смарт-текстилем. На основе полученного смарт-текстиля был изготовлен жилет для макета солдата. Для этой цели образец стеклоткани с углеродными нанотрубками площадью 24 см 2
оснастили двумя электродами из медной проволоки и подключили к источнику питания – батарейки. А для придания эстетического вида и формы был сшит чехол для из термостабильного материала. На рисунке 20 представлены фотографии макета солдата с жилетом на основе полученного электропроводящего смарт-текстиля (Рисунок 4).
b c d Рисунок 4. Фотографии макета солдата с жилетом на основе полученного электропроводящего смарт-текстиля (a, b); Фотографии макета и динамика изменения температуры жилета до подключения жилета к источнику питания и после подключения (c, d)
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
42 При подключении стеклоткани с УНТ к источнику питания температура плавно поднялась с 0 ⁰С до 28 ⁰С, 36 ⁰С и 45 ⁰С соответственно. В данном случае наша цель была изготовление подогреваемого жилета для обмундирования и экипировки людей, находящихся в критических для человеческого организма температурных условиях – военнослужащие, альпинисты, спортсмены и т.д. Температура нагрева жилета должна быть комфортной для организма и не должна превышать определенного порогового значения. Полученные результаты показали, что, варьируя мощностью источника питания можно изменять максимальную температуру нагрева. В нашем случае максимальная температура составляла 45 ⁰С, что является более чем достаточной для поддержания нормального функционирования человеческого организма при пониженных и отрицательных температурах окружающего воздуха.
Институт проблем горения участвует в исследованиях, связанных с разработкой наноструктурированных углеродных материалов и их использованием в качестве высокоэффективных активных компонентов для создания композитных электродов современных систем
хранения энергии, в частности электрохимических суперконденсаторов. Данная электротехническая продукция представляет собой электрические устройства, обладающие высокой мощностью, и предназначены для различных целей, включая запуск силовых установок, ветровых турбин и электрических подстанций. Основным источником сырья для производства активированных углей служат ископаемые угли и нефтяные пеки, причем растительные отходы могут также с успехом использоваться в качестве углеродсодержащих прекурсоров. Главными факторами, определяющими выбор углеродсодержащих прекурсоров является их доступность, стоимость, и затраты, необходимые для придания синтезируемым углеродным материалам соответствующих функциональных свойств. При этом состав и структура углеродных материалов зависят от природы прекурсора и условий термоокислительных процессов, происходящих во время карбонизации и активации углеродсодержащих прекурсоров. Выбор углеродсодержащих прекурсоров, оптимизация энергоемких методов их обработки и последующей функционализации, с целью придания им заданных свойств является актуальной и важной задачей. В связи с этим производство высококачественных активированных углей на основе рисовой шелухи представляет большой коммерческий интерес. Полученные на основе рисовой шелухи углеродные материалы характеризуются выдающимися свойствами структуры и состава, причем в случае применения данных материалов в электродных композитах электрохимических конденсаторов достоверно установлено положительное влияние на
эксплуатационные свойства и производительность. Кроме того, рисовая шелуха является крупнотоннажным растительным отходом, не имеющим достойного применения. Рисовая шелуха является типичным представителем лигноцеллюлозных материалов растительного происхождения, на основе, которой могут быть получены активированные угли, имеющие высокое содержание углерода (м.д. углерода > 90%). Поверхность активированных углей, полученных на основе рисовой шелухи, представлена развитой макропористой структурой, которая может служить в качестве транспортной системы для диффундирующих молекул и ионов электролита. Изотермы низкотемпературной адсорбции азота при 77 К активированных углей основе рисовой шелухи представляют собой комбинацию I и IV типов, что указывает на существование в полученных образцах высокоразвитой микропористой и мезопористой (диаметром> 2нм пор) текстуры, обеспечивающей высокую емкость также в условиях высокой скорости развертки потенциалов. Электролит имеет возможность свободно диффундировать внутри мезопор и проникать далее в микропоры, которые отвечают за
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
43 максимальное накопление зарядов, в результате формирования двойного электрического слоя. Удельная площадь поверхности, рассчитанная по методу БЭТ, для полученных активированных углей превышает 1500 м 2 /г. Кроме того, исследование распределения пор по размерам показало, что полученные материалы характеризуются полимодальной или полидисперсной пористой структурой. Циклические вольтамперограммы полученные для двухэлектродных ячеек суперконденсатора, собранных в составе растворов 1 М Li 2 SO
, использованного в качестве электролита представлены на рисунке 5a. Прямоугольная циклическая вольтамперограмма, типичная для идеального конденсатора с двойным электрическим слоем соответствует активированному углю, полученному с помощью хлорида цинка В данном случае в электродах суперконденсатора наблюдается выдающаяся способность к распространению зарядов. При этом электродные композиты, полученные на основе рисовой шелухи, активированной фосфорной кислотой, имеют более резистивный характер и Фарадеевский ток. Гальваноциклические заряд-разрядные характеристики двухэлектродных ячеек суперконденсатора, с электродами на основе рисовой шелухи, активированной хлоридом цинка и фосфорной кислотой, представлены на рисунке 5b. В растворах 1М Li 2 SO 4 при
токовых нагрузках составляющих 200 мА/г обе исследованные системы демонстрируют довольно низкие омические потери и высокую разрядную ёмкость, установленную в диапазоне 100-110 Ф/г. При этом углерод полученный активацией рисовой шелухи хлоридом цинка имеет более симметричную кривую разряда, что имеет положительное влияние на эксплуатационные показатели суперконденсаторов на его основе.
Рисунок 5 - Электрохимическая характеристика двухэлектродных ячеек суперконденсатора с электродами из активированных углей, полученных на основе рисовой шелухи
Исследование спектров комбинационного рассеяния электродных материалов до и после электрохимических испытаний, связанных с циклированием ячеек при токовых нагрузках до 5000 мА/г представлены на рисунке 6. Испытания активированных углей, полученных активацией рисовой шелухи фосфорной кислотой, показали, что указанный материал не является электрохимически стабильным. В частности, в спектре положительного электрода происходит увеличение интенсивности полос G и D, которая предполагает процесс переноса заряда и, скорее всего, электрохимическое окисление углерода. Проведенные испытания показали, что в активированных углях, полученных активацией рисовой шелухи хлоридом цинка, в процессах электрохимического циклирования при больших токовых нагрузках структура и состав почти не изменяется, что говорит об их высокой стабильности и электрохимической инертности. Результаты
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
44 исследований показали, что интенсивность полос G и D почти не меняется после многократного циклирования ячейки даже в условиях высоких токовых нагрузок до 5 А/г.
Рисунок 6 - Спектры Рамана для углей полученных активацией рисовой шелухи фосфорной кислотой (слева) и хлоридом цинка (справа)
Новые 2D оптоэлектронные, сенсорные и многие другие устройства, могут быть созданы путем интеграции различных 2D материалов в гетероструктуры с уникальными характеристиками. В работе методом CVD синтезированы эпитаксиальные слои графена на медной фольге. Слои двумерного WS 2 синтезированы при помощи сульфуризации тонких слоев WO 3 нанесенных методом термического напыления на подложку FTO. Синтез графена проводился в трубчатом кварцевом CVD реакторе расположенного в 3-х зонной печи . В качестве источника углерода использовался метан (CH 4 ). Графены синтезировались при атмосферном давлении, температуре 1050 О С, соотношении газов H 2 : СН 4 : Ar – 0.2 : 0.4 : 3, в течение 20 минут. После осаждения графена была проведена процедура переноса с металлической основы подложку FTO через метод нанесения слоя ПММА (полиметилметакрилат) (рисунок 7). Данный процесс очень важен, так как значительно влияет на параметры переносимых слоев. Медная фольга вытравливалась в растворе нитрата или хлорида железа. Полученный слой графена покрытый ПММА наносился на поверхность FTO, далее полимер вымывался органическим растворителем.
а)
б)
отделенный слой графена покрытый ПММА
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
45
Синтез WS 2 проводился сульфурированием слоя WO 3 , который заранее был осажден термическим напылением на подложку FTO. Осаждение оксида вольфрама (WO 3 ) на подложку FTO проводилось на системе вакуумного термического осаждения ZHD-300M2 с резистивным нагревателем. Синтез WS 2 проводился кварцевом вакуумном CVD реакторе по схеме, показанной на рисунке 3. Процесс проводился в атмосфере аргона, где молекулы аргона выполняли роль переносчика сублимированного материала в реакционную зону 2, где была установлена подложка FTO/WO 3 . Температура зоны нагрева с серой была 120 О С для сублимации серы, зона синтеза нагревалась до 750 О С.
На рисунке 8 показана микрофотография поверхности WS 2 после синтеза в CVD реакторе методом сульфуризации. Микроструктура имеет схожую структуру кристаллических образований с геометрическими фигурами в виде треугольных кристаллов при температуре синтеза 750 О С.
Рисунок 8 - СЭМ микрофотография синтезированного слоя WS 2 кристаллов при 750 О С при сульфуризации слоя WO 3
Раман спектр сульфуризированного слоя при 750 О С на рисунке 9 показывает на формирование пиков мод Е 2g
и А 1g характерных кристаллов WS 2 . Интенсивность пиков является почти одинаковой. По положению пиков мод есть возможность предположить, что толщина выращенного WS 2 . составляет более 6 слоев.
Рисунок 9 - Раман спектр осажденного слоя WS 2 на FTO Проведена работа по синтезу графена и 2D WS 2 методом CVD. На данном этапе работ производиться разработка гетероструктур на основе полученных 2D материалов а)
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
46 путем разделения и наслаивания графена на различные подложки с дальнейшим синтезом двумерных дихалькогенидов переходных металлов. Полученные результаты представляют большой интерес в области фотокаталитического расщепления воды в видимом спектре, а также во многих приложениях микро- и наноэлектроники. Определение нано-структурированной добавки, ускоряющие время схватывания бетонной массы для 3D принтинга 3D-принтер в строительстве – это роботизация производства, своего рода конвейер, естественно, все смежные отрасли в этой цепочке должны соответствовать, в первую очередь структура самого принтера, экструдера, программное обеспечение, производство рабочей смеси, решение транспортных задач, логистика (если раствор готовится рядом с возводимым объектом, то доставка не нужна), формат склада комплектующих (создается общий на весь поселок или смежник подвозит партию на конкретный дом), на эти и многие другие вопросы решение, несомненно, будет предложено. Специалисты, ведущие разработки технологий объемной печати, действуют очень активно, 3D методы внедряются в жизнь общества. Если во время презентации Берока Кошневиса, состоявшейся в 2012 году, осторожно назывались 2017-2020 годы как порог начала эксплуатации строительных роботов, то в реальности, уже в феврале 2014 года была демонстративно напечатана серия настоящих домов в Китае. Добавки для ускорения времени схватывания бетона известны уже несколько десятилетий, существуют целые институты, занимающиеся решением различного рода проблемами. Основная проблема возникала в подборе оптимального состава для получения бетона с необходимыми свойствами, которые были перечислены выше. Для получения таких свойств, естественно, был использован комплекс из различных добавок. Для разработки технологии приготовления быстротвердеющей смеси исследовали характер действия ускорителя твердения в зависимости от точки подачи его в процесс приготовления цементного раствора. Для приготовления быстротвердеющей цементной смеси, в качестве исходного сырья были использованы цемент, песок и химические реагенты.
бетонной массы
Добавка Характеристика бетонной смеси Количество добавки, % Масса цемента В/Ц
Подвижность, см
ХК, ХА 0,35..0,75 0..5 1..2
ТНФ 0,35..0,75 0..4 2..3,5
НК, ННХК 0,35..0,75 0..6 1,5..2,5 НН, ННК 0,35..0,75 0..3 2,5..3
Сравнивая полученные результаты испытаний добавок ускоряющих схавтывание бетонных образцов был определен состав комплексной добавки (ПИД-1) которая устраняла недочеты каждой из них. Применение хлорида кальция к примеру вызывает коррозию арматуры что недопустимо для строительства домов, при этом исходили из наибольшей прочности бетона с добавкой, содержание которой и было оптимальным.
ХИМИЯ ЖӘНЕ ХИМИЯЛЫҚ ТЕХНОЛОГИЯ БОЙЫНША IX ХАЛЫҚАРАЛЫҚ БІРІМЖАНОВ СЪЕЗІНІҢ ЕҢБЕКТЕРІ
47 Таблица 3 - Определение прочности при использовании различного рода добавок
Тип Добавки Добавка в %, от массы
цемента В/Ц
Прочность при сжатии в кг/см2 в возрасте (дней) 3 7 28 ННК
3 0,44
75 90
157 7 0,44 130 130
165 10
0,44 125
125 155
15 0,44
120 120
170 ПИД-1
3 0,44
130 170
225 7 0,44 150 165
185 10
0,44 150
150 185
15 0,44
150 150
180 ННХК
3 0,44
40 57
122 7 0,44 65 83
112 10
0,44 56
80 112
15 0,44
57 80
112 ТНФ
3 0,44
90 135
165 7 0,44 95 122
150 10
0,44 90
120 150
15 0,44
100 120
150
Из таблицы 3 видно, что использование комплексной добавки ПИД-1 не только ускоряет время схватывания бетонной смеси, но и увеличивает прочность на сжатие. Далее проводились ряд экспериментов на приборе Вика, для которого были приготовлены определенного размера цементные блоки (ГОСТ 24211—91) в которых массовое
и 14,4 г соответственно. После проверки всех типов реагентов было установлено что наилучший результат показал ПИД-1 в процентном соотношении 3-15% от всей массы цемента. Было показано, что добавка ПИД-1 10% и 15% сокращает время схватывания достаточное для технологических нужд при использовании 3D принтера из цементного раствора. После определения ускорителя схватывания бетонной смеси была сконструирована экспериментальная установка для проверки механических свойств раствора. Изображение экспериментальной установки представлена на рисунке 10. Данная установка позволяет печатать стены толщиной 4 см, длинной 80 см и высотой 60 см, выдавливание раствора происходит под действием силы тяжести самой смеси. Стоит отметить, что в данной пионерской конструкции отсутствует вибрация так как была использована пластиковая труба, которая сильно гасит вибрацию. Ниже на рисунке показаны фотографии полученных образцов при добавке ПИД-1 в цементном растворе.
|