Автореферат (1150009)
Текст из файла
На правах рукописиПОСТНОВДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧСИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОТОНПРОВОДЯЩИХНАНОКОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ НАФИОНА И ФУЛЛЕРОИДНЫХМАТЕРИАЛОВСпециальность: 02.00.21 – Химия твердого телаАВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата химических наукСанкт-Петербург2018Работа выполнена на кафедре химии твердого тела Института химии федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования«Санкт-Петербургский государственный университет»Научный руководитель:Официальные оппоненты:Мурин Игорь Васильевичдоктор химических наук, профессор, профессор кафедрыхимии твердого тела Института химии федеральногогосударственногобюджетногообразовательногоучреждения высшего образования «Санкт-Петербургскийгосударственный университет»Чарыков Николай Александровичдоктор химических наук, профессор, профессор кафедрыфизическойхимиифедеральногогосударственногобюджетного образовательного учреждения высшегообразования«Санкт-Петербургский государственныйтехнологический институт (технический университет)»Томаев Владимир Владимировичкандидат физико-математических наук, старший научныйсотрудник, доцент кафедры общей и технической физикифедеральногогосударственногобюджетногообразовательного учреждения высшего образования«Санкт-Петербургский горный университет»Ведущая организацияФедеральное государственное автономное образовательноеучреждение высшего образования «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого»Защита диссертации состоится «____»______________2018 г.
в ___ часов назаседании диссертационного Совета Д-212.232.41 по защите докторских и кандидатскихдиссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198004,Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д. 41/43, Большая химическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А. М. ГорькогоСПбГУ по адресу: Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Автореферат идиссертация размещены на сайте www.spbu.ruАвтореферат разослан «____»______________2018 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат химических наук, доцентС. М. Шугуров2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.
В настоящее время наблюдается постояннорастущая потребность в инновационных материалах с заданнымифункциональными свойствами. Особое место среди них занимаюторганические высокомолекулярные твердые электролиты, такие какперфторированный сульфокатионит Нафион,сочетающий высокуюпротонную проводимость с химической и термической устойчивостью,селективностью и механической прочностью. Тем не менее, использованиеНафиона в различных процессах и электрохимических устройствах имеет рядограничений, наиболее существенным из которых является резкое снижениепротонной проводимости в условиях низкой влажности.
Перспективнымподходом для улучшения эксплуатационных качеств Нафиона являетсясоздание композиционных материалов на его основе путем введения вматрицу полимера наноразмерных частиц с целью изменения структуры пори каналов иономера, отвечающих за транспортные свойства, а также дляулучшения влагоудерживающей способности полимерных мембран. Насегодняшний день наиболее полно охарактеризованы мембраны Нафион,допированныенаночастицамиоксидов,неорганическихсолей,гетерополикислот [1, 2]. Фуллероидные материалы, к которым относятфуллерены и их производные, а также углеродные нанотрубки различнойморфологии (в том числе с привитыми кислотными группами) изучены вкачестве допантов в полимер Нафион сравнительно мало и сведения освойствах подобных композиционных материалов в имеющихся публикацияхдовольно фрагментарны.
A priori повышенный интерес обусловлен такжетем, что размеры углеродных наночастиц близки к размерам пор и каналовНафиона, отвечающих за его транспортные свойства, и, очевидно, они,внедряясь в эти каналы, могут существенно влиять на структуру ихарактеристики синтезируемых гибридных материалов. В этой связиактуальным является синтез и исследование физико-химических свойствкомпозитов на основе Нафиона и различных фуллероидных наполнителей.Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №14-080085(2014-2016г.)Целью настоящей работы является систематическое исследованиефуллероидных материалов – легких фуллеренов C60 и C70 и ряда ихводорастворимых производных, а также углеродных нанотрубок (УНТ),синтезированныхпооригинальнойметодике(втомчислефункционализированных) в качестве допантов к иономеру Нафион,включающееразработкуподходовксинтезусоответствующихкомпозиционных материалов, изучение их физико-химических свойств.В рамках исследования решались следующие задачи:31.
Синтез композиционных материалов на основе Нафиона, с различнымсодержанием фуллеренов С60 и С70, а также их водорастворимыхпроизводных;2. Разработка методики получения катализатора для синтеза тонкиходнородных углеродных нанотрубок с малым количеством слоев методомхимического осаждения из газовой фазы, а также синтез образцовуглеродных нанотрубок по предложенной методике;3. Исследование полученных нанотрубок методами БЭТ, КР-спектроскопии,ПЭМ, СЭМ;4.
Синтез композиционных материалов на основе Нафиона, с варьируемымсодержанием углеродных нанотрубок различной морфологии, в том числефункциализированных кислотными группами;5. Синтез композиционных материалов на основе Нафиона, с различнымсодержанием коллоидного кремнезема (аэросила), а также аэросила,функционализированного кислотными группами (материалы сравнения);6. Изучение свойств полученных композиционных материалов физикохимическими методами анализа (импедансная спектроскопия, ЯМР, ТГА,ПЭМ, гравиметрия).Научная новизна работы может быть сформулирована в видеследующих положений:1.Впервыепроведеносистематическоеисследованиевлияниянаноуглеродных допантов (индивидуальные фуллерены С60 и С70,многослойные углеродные нанотрубки различной морфологии, в т.ч.синтезированные по оригинальной методике а также с привитыми группами(–СООН, –SO3Н), водорастворимые производные фуллеренов С60(OH)24-26,(С70(OH)18-20, С60(СН2СН2СН2СН2SO3Н)6, С60[С(COOН)2]3, С70[С(COOН)2]3)на свойства композитов.
Выявлено, что основной причиной улучшенияпроводящих свойств Нафиона при допировании является изменениегеометрии его пор и каналов;2. Предложен новый кобальтсодержащий катализатор на основеаэросилогеля, полученный методом ионного обмена для синтеза углеродныхнанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы;3. Образцы многослойных углеродных нанотрубок, синтезированные сиспользованием предложенного катализатора демонстрируют высокуюоднородность структуры, диаметр 6-8 нм и низкое содержание аморфногоуглерода.Практическая значимость работы определяется тем, что в результатеисследований:- Получены композиты, демонстрирующие более высокую протоннуюпроводимость в условиях низкой влажности, которые могут рассматриватьсяв качестве перспективных материалов при разработке протонпроводящих4мембрандлянизкотемпературныхтопливныхэлементов,либочувствительных элементов датчиков влажности;- Выявленные причины изменения проводимости иономера Нафионпри модификации могут позволить прогнозировать свойства аналогичныхсистем «матрица-допант»;- Предложенный в работе кобальтсодержащий катализатор позволилполучить высококачественный наноуглеродный материал методомхимического осаждения из газовой фазы.
Синтезированные углеродныенанотрубки обладали высокой однородностью и малым количеством слоев,что в сочетании с простотой реализации метода открывает перспективыиспользования катализатора в промышленном масштабе.полученныхданныхДостоверностьиобоснованностьподтверждается воспроизводимостью результатов анализа, корректностьюприменения исследовательской аппаратуры, согласием с имеющимисялитературными данными, положительными результатами промышленныхиспытаний датчиков влажности на основе синтезированных материалов.Основные положения, выносимые на защиту:1.
Синтез композитов на основе иономера Нафион, содержащих углеродныенаночастицы и обладающих более высокой протонной проводимостью;2. Разработка методики получения кобальтсодержащего катализатора длясинтеза углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовойфазы;3. Результаты исследования синтезированного наноуглеродного материалафизико-химическими методами анализа;4. Результаты исследования композиционных материалов на основе Нафионафизико-химическими методами анализа.5. Закономерности и причины изменения электролитических свойствполученных композиционных материалов.Апробация работы. Основные результаты работы были представленына 7 российских и международных конференциях: 7-ая Российскаяконференция «Физические проблемы водородной энергетики» (СанктПетербург,2011),IIIМеждународнаянаучнаяконференция«НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕМАТЕРИАЛЫ-2012:РОССИЯУКРАИНА-БЕЛАРУСЬ» (Санкт-Петербург 2012), International Symposiumand Summer School in Saint Petersburg “Nuclear Magnetic Resonance inCondensed Matter” (Санкт-Петербург, 2013), 9-ая Российская конференция«Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики» (СанктПетербург, 2013), VIII Всероссийская конференция с международнымучастием молодых ученых по химии «Менделеев 2014» (Санкт-Петербург,2014), 18th International Symposium on the Reactivity of Solids (Санкт-5Петербург, 2014), Х Всероссийская конференция «Физико-химическиепроблемы возобновляемой энергетики» (Санкт-Петербург, 2015).Личный вклад соискателя.
Автором работы выполнен синтездопантов и композиционных материалов для исследований, полученыосновные экспериментальные результаты, осуществлена их обработка.Проведен анализ и обобщение полученной информации.Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 6 статьяхв рецензируемых научных журналах, а также в тезисах 7 докладов наконференциях.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4глав, заключения, выводов и списка литературы (129 наименований).
Работаизложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 7таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении перечислены положения, выносимые на защиту,сформулированы основные цели и задачи, описана актуальность и новизнатемы диссертационной работы.Первая глава представляет собой литературный обзор и посвященарассмотрениюосновныхтиповпротонпроводящихполимерныхэлектролитов. Описана структура и свойства перфторированногосульфокатионита Нафион.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
