Кисневий електрод для джерел струму на основі відновленого оксиду графену

Реферат: Кисневий електрод для джерел струму на основі відновленого оксиду графену складається з активного та гідрофобного шарів. Як активний шар використовується відновлений оксид графену, отриманий відновленням за допомогою гіпофосфіту натрію окислених багатошарових вуглецевих нанотрубок. UA 78047 U (12) UA 78047 U UA 78047 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електрохімічного та хімічного каталізу електрохімічних генераторів енергії, в т. ч. паливних елементів. Зараз проводиться широкий пошук носіїв та каталізаторів, які здатні ефективно відновлювати молекулярний кисень [1]. Кисневий електрод у джерелах струму являє собою трифазну систему електрод-електроліт-газ, де процеси генерації електричного струму локалізовані на границі розподілу цих фаз. Величина струму, отримана на такому газодифузійному електроді, залежить від величини зони потрійного контакту цих трьох фаз. Сам електрод, у свою чергу, складається з каталізатора й носія, взаємодія між ними й визначає в основному величину виробленого струму. Основна проблема це каталітично активний і стабільний носій. У роботах [2-5] була показана перевага вуглецевих нанотрубок як носіїв каталізаторів. У цей час у зв'язку з появою нового нановуглецевого матеріалу, такого як графен, з'явився ряд робіт з його дослідження як електродного матеріалу для літій-іоних акумуляторів [6]. Відомий спосіб одержання каталізатора реакції відновлення кисню [7] на основі перовскіту La0,6Sr0,4CoО3 з різним вмістом вуглецевих нанотрубок і в'яжучого матеріалу (фторпластового порошку). Вуглецеві трубки, перовскіти, в'яжучий матеріал в дистильованій воді перемішували ультразвуком впродовж 1 год. Отриману суміш висушували на повітрі при 60 °С протягом 18 год., після чого проводили її нагрів до 350 °С впродовж 2 год. для закріплення активного матеріалу на вуглецевій поверхні. Для отримання пасти, яка в подальшому використовується як каталізатор, 0,04 г кінцевого продукту змішували з 0,16 г спеціальної нафти (tкип=180-220 °С). Найбільша густина струму при однаковій поляризації електроду (найбільша швидкість перебігу процесу відновлення кисню) спостерігається при концентрації перовскіту 55 %. Недоліками цього способу є складна технологія приготування каталізатора, що містить декілька тривалих операцій, дорогих реактивів. Близьким за технічною суттю до корисної моделі є спосіб (прототип) одержання каталізатора реакції відновлення кисню [8] на основі оксидів кобальту, нанесених на багатошарові вуглецеві нанотрубки. Цей каталізатор отримують електрохімічним методом нанесення на багатошарові вуглецеві нанотрубки із водних фторвмісних розчинів при кімнатній температурі (18-25 °С) і густині струму -2 - 4-12 А•дм . Навантажувальні характеристики кисневого електроду на базі цих сполук такі: робоча -2 густина струму 450-480 мА•см при поляризації 350 мВ (робоча напруга 0,8 В). Недоліком цього електроду є невисокі питомі характеристики - густина струму та складність нанесення каталізатора. Задачею корисної моделі є підвищення каталітичної активності і питомих електрохімічних характеристик кисневих електродів джерел струму. Поставлена задача вирішується тим, що як електродний матеріал використовується відновлений оксид графену, отриманий окисленням багатошарових вуглецевих нанотрубок з подальшим відновленням одержаного оксиду графену за допомогою відновника гіпофосфіту натрію. 1 г багатошарових вуглецевих нанотрубок розчинили в 300 мл концентрованої сірчаної кислоти при перемішуванні протягом години. Потім додали 5 г ΚΜnO4 і перемішували протягом години, при температурі 17 °С. Після цього суміш нагріли до 55 °С за 30 хвилин. Потім температуру довели до 65 °С, витримали 20 хвилин та остудили до кімнатної температури. Для видалення можливого побічного продукту у вигляді діоксиду марганцю отриману суміш вилили в 400 мл води з льодом з вмістом 5 мл 30 Н2О2. Потім відділили осад (оксид графену) та промили дистильованою водою. Для відновлення оксиду графену його перевели в колоїдний розчин за допомогою зміни середовища на слабо лужний. Для відновлення використали розчин гіпофосфіту натрію. Отриманий продукт промили, відділи від розчину та висушили при 140 °С Потім з цієї композиції за допомогою пресування приготували двошаровий кисневий електрод, який складався з двох шарів: активного та гідрофобного. Активний шар складався з відновленого графену та в'яжучої емульсії фторопласту. Гідрофобний шар готували з ацетиленової сажі, далі електричні характеристики цього електроду вимірювали намакеті комірки кисневого електроду з цинковим анодом в лужному електроліті при підвищеному тиску кисню. Робочі характеристики отримували в гальваностатичному режимі. Підвищена активність каталізатора в порівнянні з прототипом обумовлена тим, що відновлений графен завдяки структурі графенового листа має таку властивість, що носії заряду, маючи необмежену свободу переміщення в площині, замкнуті в вузькому просторі між "стінками" утвореними кінцями поверхні -орбіталей, що приводить до появи унікальних електрофізичних та інших незвичайних властивостей графену. Це відповідно, збільшує питомі характеристики матеріалу в порівняні з прототипом. 1 UA 78047 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Приклади виконання. Приклад 1. 1 г багатошарових вуглецевих нанотрубок розчинили в 300 мл концентрованої сірчаної кислоти при перемішуванні протягом години. Потім додали 5 г ΚΜnO4 і перемішували протягом години, при температурі 17 °С. Після цього суміш нагріли до 55 °С за 30 хвилин. Потім температуру довели до 65 °С, витримали 20 хвилин та остудили до кімнатної температури. Для видалення можливого побічного продукту у вигляді діоксиду марганцю отриману суміш вилили в 400 мл води з льодом з вмістом 5 мл 30 % Н2О2. Потім відділили осад (оксид графену) та промили дистильованою водою. Для відновлення оксиду графену його перевели в колоїдний розчин за допомогою зміни середовища на слабо лужний та для відновлення використали 20 мл водного розчину з вмістом гіпофосфіту натрію 1 г. Отриманий продукт промили, відділили від розчину та висушили при 140 °С Потім з 0,1 г композита за допомогою пресування приготували двошаровий кисневий електрод. -2 Робочі характеристики кисневого електроду: І=480 мА•см , при t=20 °С. Поляризація електроду 350 мВ (робоча напруга 0,8 В). Приклад 2. 1 г багатошарових вуглецевих нанотрубок розчинили в 300 мл концентрованої сірчаної кислоти при перемішуванні протягом години. Потім додали 5 г ΚΜnO4 і перемішували протягом години, при температурі 17 °С. Після цього суміш нагріли до 55 °С за 30 хвилин. Потім температуру довели до 65 °С, витримали 20 хвилин та остудили до кімнатної температури. Для видалення можливого побічного продукту у вигляді діоксиду марганцю отриману суміш вилили в 400 мл води з льодом з вмістом 5 мл 30 % Н2О2. Потім відділили осад (оксид графену) та промили дистильованою водою. Для відновлення оксиду графену його перевели в колоїдний розчин за допомогою зміни середовища на слабо лужний та для відновлення використали 20 мл водного розчину з вмістом гіпофосфіту натрію 2 г. Отриманий продукт промили, відділили від розчину та висушили при 140 С Потім з 0,1 г композита за допомогою пресування приготували двошаровий кисневий електрод. 2 Робочі характеристики кисневого електроду: І=520 мА-см , при t=20 °С. Поляризація електроду 350 мВ (робоча напруга 0,8 В). Приклад 3. 1 г багатошарових вуглецевих нанотрубок розчинили в 300 мл концентрованої сірчаної кислоти при перемішуванні протягом години. Потім додали 5 г ΚΜnO4 і перемішували протягом години, при температурі 17 °С. Після цього суміш нагріли до 55 °С за 30 хвилин. Потім температуру довели до 65 °С, витримали 20 хвилин та остудили до кімнатної температури. Для видалення можливого побічного продукту у вигляді діоксиду марганцю отриману суміш вилили в 400 мл води з льодом з вмістом 5 мл 30 % Н2О2. Потім відділили осад (оксид графену) та промили дистильованою водою. Для відновлення оксиду графену його перевели в колоїдний розчин за допомогою зміни середовища на слабо лужний та для відновлення використали 20 мл водного розчину з вмістом гіпофосфіту натрію 3 г. Отриманий продукт промили, відділи від розчину та висушили при 140 °С. Потім з 0,1 г композита за допомогою пресування приготували двошаровий кисневий електрод. -2 Робочі характеристики кисневого електроду: І=510 мА•см , при t=20° С. Поляризація електроду 350 мВ (робоча напруга 0,8 В). Приклад 4 (Прототип). На 0,2 г багатошарових вуглецевих нанотрубок електрохімічним методом наносимо оксид -1 кобальту. Склад електроліту, г•л : СоSО4•Н2О - 20; NH4F- 40. Умови електролізу: температура -2 кімнатна (18-25 °С), густина струму - 12 А•дм . Отриманий продукт промили, відділи від розчину та висушили при 140 °С. Потім з 0,1 г композита за допомогою пресування готували двошаровий кисневий електрод. -2 Робочі характеристики кисневого електроду: І=480 мА•см , при t=20° С. Поляризація електроду 350 мВ (робоча напруга 0,8 В). Виходячи з наведених даних, можна зробити висновок, що запропонований нами каталітичний матеріал на основі відновленого графену для кисневих електродів паливних джерел струму значно ефективніший: робоча густина струму відновлення кисню на такому електроді перевищує аналогічні характеристики прототипу. Окрім того, немає потреби в нанесені каталізатора, тому що відновлений графен сам по собі є хорошим каталізатором. Використання як відновника нетоксичного реагенту гіпофосфіту натрію також буде сприяти створенню екологічно чистого виробництва джерел струму. Література. 2 UA 78047 U 5 10 15 20 1. V. Neburchilov, H. Wang, J. J. Martin, W. Qu, A review on air cathodes for zinc-air fuel cells. J. Power Sources. 195 (2010) 1271-1291. 2. Soehn M, Lebert M., Wirth Т., Hofmann S., Nicoloso N. // J. Power Sources. 2008. V. 176. N 2. P. 494-498. 3. Danilov M.O., Melezhyk A.V. // J. Power Sources. 2006. V. 163. N 1. P. 376-381. 4. Hsieh C-T., Lin J-Yi., Wei J.-L. // International J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34. N 2. P. 685693. 5. Wang X., Waje M, Yan Y. // Electrochem. Solid-State Lett. 2005. V. 8. N 1. P. A42-A44. 6. G. Wang, X. Shen, J. Yao, J. Park. Graphene nanosheets for enhanced lithium storage in lithium ion batteries. Carbon, 47 (2009), Р. 2049-2053. 7. Doreen Thiele, Andreas Zuttel. // J. Power Sources. - 2008.- V.I83. - P. 590-594. 8. Стадник O.O., Болдирєв Є.І., Данилов М.О., Іванова Н.Д.. Каталізатор кисневого електроду на основі оксиду кобальту. Деклараційний патент № 46622 від 25.12.2009, бюл. № 24. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Кисневий електрод для джерел струму на основі відновленого оксиду графену, що складається з активного та гідрофобного шарів, який відрізняється тим, що для збільшення робочої густини струму кисневого електроду як активний шар використовується відновлений оксид графену, отриманий відновленням за допомогою гіпофосфіту натрію окислених багатошарових вуглецевих нанотрубок. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3