Способ электрохимического получения композиционного материала nio/c


 


Владельцы патента RU 2501127:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU)

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к приготовлению активной массы электрода с наноразмерными частицами NiO на углеродном носителе, используемого в химических источниках тока, в частности в никель-металл-гидридных аккумуляторах, а также в суперконденсаторах. Способ получения композиционного NiO/C материала, содержащего 1-99% NiO и представляющего собой равномерно распределенные по поверхности углеродного носителя агрегаты наночастиц β-NiO, основан на получении наночастиц NiO в результате электрохимического окисления и разрушения никелевых электродов в растворах гидроксидов щелочных металлов под действием асимметричного переменного импульсного тока частотой 50 Гц при различном соотношении плотностей токов анодного и катодного полупериодов, с одновременным осаждением образующихся наночастиц оксида никеля на углеродный носитель, последующем фильтровании полученной суспензии композита, промывке композита дистиллированной водой и его высушиванием при температуре 90°С. Повышение качества получаемого материала за счет отсутствия примесей при одновременном снижении энергозатрат на его получение является техническим результатом предложенного изоретения. 4 пр.

 

Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к приготовлению активной массы электрода с наноразмерными частицами NiO на углеродном носителе, используемого в химических источниках тока.

Известен способ приготовления композиционного материала (патент США US №2003/0235760 А1, опубл. 25.12.2003), состоящего из углерода и никеля, используемого в качестве анода в свинцовых аккумуляторных батареях. Известный способ получения соединения углерода и никеля включает приготовление водной дисперсии углерода (например, ацетиленовой сажи) с последующим добавлением водорастворимых солей никеля (например, Ni(NO3)2). Далее в полученную дисперсию при перемешивании по каплям вводится раствор NaOH для закрепления соединения никеля на поверхности углерода. Полученные твердые частицы отделяются от раствора, промываются дистиллированной водой и сушатся в течение 2 часов при температуре 120°С. Затем частицы выдерживают при температуре 300°С в присутствии воздуха в течение 30 минут для получения композиционного материала, содержащего NiO.

К недостаткам следует отнести загрязнение получаемого продукта нитрит-ионами, а также технологию введения гидроксида натрия в раствор, при котором равномерность распределения частиц NiO по поверхности углеродных нанотрубок и размер кристаллитов определяется скоростью введения раствора NaOH, а также интенсивностью перемешивания суспензии. Существенное влияние на структуру получаемых частиц NiO будет оказывать изменяющаяся (уменьшающаяся) во времени концентрация прекурсора никеля.

Известен способ получения (патент США № US 2010/0055568 А1. опубл. 04.03.2010) композиционного материала (нанокомпозита), представляющего собой оксид переходного металла (например, Ni) на углеродном носителе (например, одномерные многостенные углеродные нанотрубки), используемого в литиевых аккумуляторах и суперконденсаторах. Известный способ включает предварительное растворение сурфактанта в дистиллированной воде и перемешивание его с помощью ультразвуковой мешалки в течение 1 часа. В полученный раствор последовательно добавляют углеродные нанотрубки, перемешивая полученную суспензию в течение 3 часов, затем добавляют хлорид металла в качестве прекурсора (например NiCl2) и мочевину, размешивают 20 минут. Затем при постоянном перемешивании увеличивают температуру до 100°С и проводят термостатирование в течение 7 часов. Полученную суспензию высушивают в вакууме при температуре 100°С, после чего проводят термическую обработку при температуре 300°С.

Недостатком данного способа является длительность технологического процесса и большие энергозатраты, связанные с необходимостью использования вакуума и многократной продолжительной термообработкой в интервале температур 100-300°С.

Известен способ получения нанокомпозиционного материала, (Ji Yeong Lee, Kui Liang, Kay Hyeok An, Young Нее Lee. Nickel oxide/carbon nanotubes nanocomposite for electrochemical capacitance // Synthetic Metals, 2005, V.150, P.153-157), состоящего из оксида никеля и углеродных многостенных нанотрубок в качестве углеродного носителя, используемого в суперконденсаторах, выбранный в качестве прототипа. Способ включает предварительную подготовку нанотрубок, которая заключается в их подогреве в 68% (по массе) растворе HNO3 в течение 20 часов, их промывку и фильтрование. Далее нанотрубки перемешиваются в ультразвуковой мешалке в течение 3 часов в дистиллированной воде. В суспензию нанотрубок добавляется тетрагидроксид ацетата никеля [Ni(СН3СОО)2·4H2O] для получения 0,2 М раствора ацетата никеля. Затем туда же добавляется 0,5 М раствор гидроксида аммония. Полученная суспензия центрифугируется для отделения полученного нанокомпозита, состоящего из гидроксида никеля и нанотрубок. Нанокомпозит смешивается с дистиллированной водой в соотношении 1:1. Электроды готовят погружением подложки из никелевой пены в суспензию нанокомпозита. После высушивания на воздухе, полученные образцы отжигаются при 280-320°С в течение 1,5 часов.

Недостатком данного способа является длительность подготовительного этапа с использованием концентрированной азотной кислоты, а также загрязнение получаемого продукта посторонними ионами.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа электрохимического получения композиционного материала NiO/C, содержащего наночастицы β-NiO, объединенные в агрегаты размером 500-700 нм, позволяющего повысить качество получаемого материала за счет отсутствия примесей при одновременном снижении его стоимости за счет сокращения энергозатрат, продолжительности технологического процесса и снижения температуры термообработки.

Решение поставленной задачи достигается в предлагаемом способе электрохимического получения композиционного материала NiO/C, за счет того, что готовят раствор гидроксида одного из щелочных металлов, в который при перемешивании добавляют углеродный носитель, получают суспензию, в которой проводят процесс получения NiO/C, фильтруют, промывают и высушивают осадок, причем процесс получения NiO/C проводят электрохимическим путем, который осуществляют под действием асимметричного переменного импульсного тока частотой 50 Гц с различным соотношением плотностей токов анодного и катодного полупериодов, причем процесс проводят с использованием двух никелевых электродов, в растворах гидроксидов щелочных металлов концентрацией 0,1-17 моль/л, при этом температура суспензии 60-90°С, а высушивание композита проводят при температуре 90°С.

Предлагаемый способ электрохимического получения композиционного материала NiO/C основан на явлении электрохимического окисления и разрушения никелевых электродов в растворах гидроксидов щелочных металлов под действием тока переменной полярности с одновременным осаждением образующихся наночастиц оксида никеля на углеродный носитель.

Предлагаемый способ позволяет получить композиционный не содержащий примесей композиционный материал NiO/C, представляющий собой равномерно распределенные по поверхности углеродного носителя агломераты наночастиц β-NiO с размером наночастиц 4-8 нм.

Способ осуществляется с использованием двух одинаковых электродов, выполненных из никелевой фольги. В качестве подложки используются углеродные носители (мелкодисперсные сажи, углеродные нанотрубки, активированный уголь). В 0,1-17 моль/л раствор гидроксида щелочного металла вводится при перемешивании углеродный носитель, затем в раствор погружают параллельно друг другу электроды. В течении определенного времени на электроды подается асимметричный переменный импульсный ток частотой 50 Гц с различным соотношением анодного и катодного полупериодов. Количество получаемого оксида определяется длительностью синтеза. Температура раствора находится в пределах 60-90°С. Полученную суспензию композиционного материала фильтруют, промывают осадок бидистиллированной водой, сушат при температуре 90°С.

Реализация способа иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Композиционный материал NiO/C был изготовлен следующим способом. В раствор гидроксида натрия концентрацией 0,2 моль/л при перемешивании был введен углеродный носитель Vulkan XC-72, в количестве 2,5 г/л. Затем в раствор были погружены электроды из никелевой фольги. На электроды в течение 2 часов подавался асимметричный переменный импульсный ток с плотностью анодного и катодного полупериодов 0,5 А/см2 и 0,125 А/см2 соответственно, суспензия непрерывно перемешивалась, температура суспензии без дополнительного нагрева находилась в пределах 70-75°С. Полученную суспензию композиционного материала фильтровали, осадок промывали бидистиллированной водой, высушивали при температуре 90°С в течение 2,5 часов. Содержание наночастиц β-NiO в композиционном материале составило 60%. Размер наночастиц β-NiO составил 5-7 нм.

Пример 2.

Процесс аналогичен приведенному в Примере 1 и отличался тем, что плотность тока анодного и катодного полупериодов составляла 0,5 А/см2 и 0,25 А/см2, соответственно, ток подавался в течение 2 часов. Температура суспензии без дополнительного нагрева находилась в пределах 70-75°С. Содержание наночастиц β-NiO в композиционном материале составило 40%. Размер наночастиц β-NiO составил 4-6 нм.

Пример 3.

Процесс аналогичен приведенному в Примере 1 и отличался тем, что процесс проходил в растворе гидроксида калия концентрацией 0,5 моль/л, плотность тока анодного и катодного полупериодов составляла 0,5 А/см2 и 0,125 А/см2, соответственно, ток подавался в течение 2,5 часов, температура суспензии без дополнительного нагрева находилась в пределах 65-70°С. Содержание наночастиц β-NiO в композиционном материале составило 30%. Размер наночастиц β-NiO составил 4-6 нм.

Пример 4.

Процесс аналогичен приведенному в Примере 3 и отличался тем, что концентрация раствора гидроксида калия составляла 1 моль/л, ток подавался в течение 2,5 часов. Температура суспензии без дополнительного нагрева находилась в пределах 65-70°С. Содержание наночастиц β-NiO в композиционном материале составило 25%. Размер наночастиц β-NiO составил 5-7 нм.

На основании проведенных экспериментов можно заключить, что заявляемый способ обеспечивает получение композиционного NiO/C материала без примесей с содержанием β-NiO от 1 до 99% и размером наночастиц β-NiO 4-8 нм.

Способ электрохимического получения композиционного материала NiO/C, включающий приготовление раствора гидроксида одного из щелочных металлов, в который добавляют углеродный носитель, получают суспензию, в которой проводят процесс получения NiO/C, фильтруют, промывают и высушивают осадок, отличающийся тем, что процесс получения NiO/C проводят электрохимическим путем, который осуществляют под действием асимметричного переменного импульсного тока частотой 50 Гц с различным соотношением плотностей токов анодного и катодного полупериодов, причем процесс проводят с использованием двух никелевых электродов, в растворах гидроксидов щелочных металлов концентрацией 0,1-17 моль/л, при этом температура суспензии 60-90°С, а высушивают композит при температуре 90°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано для производства катодного материала литий-ионных аккумуляторных батарей для питания портативной электроники, электроинструмента, электротранспорта.
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве щелочных аккумуляторов с оксидно-никелевыми электродами. .

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при производстве катодного активного материала литий-ионных аккумуляторов и батарей на их основе, предназначенных, в частности, для питания электротранспорта, электроинструмента и устройств бесперебойного электропитания в условиях высокоэнергоемких нагрузок.
Изобретение относится к области активных материалов, используемых в качестве катода в литиевых батареях, более конкретно к способам получения катодных материалов, имеющих состав LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2.
Изобретение относится к области электрохимической энергетики, а именно к приготовлению активной массы электрода с наноразмерными частицами NiO на углеродном носителе, используемого в химических источниках тока, в частности в никель-металл-гидридных аккумуляторах, а также в суперконденсаторах.

Изобретение относится к устройству и способу получения соединений в результате выпадения из раствора в осадок твердых веществ. .

Изобретение относится к активному катодному материалу для перезаряжаемых литиевых батарей. .

Изобретение относится к способам получения катализаторов топливных элементов. .
Изобретение относится к прикладной электрохимии и предназначено для совершенствования технологии производства оксидно-никелевого электрода, применяемого в качестве положительного электрода в химических источниках тока и процессах электрохимического синтеза.

Изобретение относится к технологии получения неорганических материалов, которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии.

Изобретение относится к области нанотехнологии и может применяться в отраслях машиностроения, транспорта, строительства, энергетики для повышения прочности и ресурса конструкций из металлических, композиционных полимерных и металлополимерных материалов.

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к одностадийному способу получения нетканого материала и нетканому материалу, полученному таким способом. Способ осуществляют методом электроформования из расплава на основе полилактида.
Изобретение относится к области порошковых технологий и может быть использовано в электронной промышленности для изготовления нитридной керамики. Способ получения нанодисперсной шихты для изготовления нитридной керамики заключается в том, что в герметичном реакторе в среде газообразного азота при его избыточном давлении производят электрические взрывы алюминиевого проводника с покрытием, содержащим оксид иттрия.
Изобретение относится к строительству и промышленности строительных материалов, в частности к способам изготовления комплексных нанодисперсных добавок в бетонные смеси.

Изобретение может быть использовано при изготовлении прозрачных электродов и приборов наноэлектроники. Графеновую пленку получают осаждением в вакууме углерода из углеродсодержащего газа на подложку, покрытую катализатором, предварительно нагретую до температуры, превышающей разложение углеродсодержащего газа.

Изобретение может быть использовано в электрохимических и электрофизических устройствах. Осуществляют анодную гальваностатическую поляризацию титана или циркония с плотностью тока от 0,1 до 3,0 мА·см-2 в расплаве хлоридов щелочных металлов, содержащем от 0,1 до 1,0 мас.% порошка карбида бора при температуре 843-873 К в атмосфере аргона.
Настоящее изобретение относится к катализаторам из металлов платиновой группы на оксидном носителе, предназначенным для удаления вредных компонентов, в частности газообразного монооксида углерода в выхлопных газах автомобильных двигателей, или для использования в электродах газочувствительных сенсоров, в топливных элементах, работающих на синтез-газе, и в других электрохимических устройствах.
Изобретение относится к медицине, а именно к общей хирургии, и может быть использовано при профилактике гнойно-воспалительных осложнений ран передней брюшной стенки при ущемленных вентральных грыжах.
Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть использовано в пищевой, химической, нефтехимической, фармацевтической и других отраслях промышленности, где необходимо разделение низкомолекулярных веществ. Осуществляют формование мембраны на основе полимерного композита, который подвергают ультразвуковой обработке, после чего его наносят на подложку с последующей сушкой. В качестве полимерного компонента используют композит поливинилового спирта и фуллеренола С60-(ОН)22-24. Полимерный композит получают путем приготовления 2 мас.% полимерного раствора из поливинилового спирта и добавления к нему порошка фуллеренола С60-(ОН)22-24 в количестве 2-6 мас.% по отношению к массе поливинилового спирта. Осуществляют последующую его ультразвуковую обработку. Затем раствор выдерживают при комнатной температуре не менее 72 часов. К отстоявшемуся раствору добавляют 35-55 мас.% малеиновой кислоты по отношению к массе поливинилового спирта. Осуществляют повторную ультразвуковую обработку. Далее раствор наносят на стеклянную подложку и высушивают при температуре не выше 40°С в течение не менее 48 часов. Полученную из раствора пленку отделяют от стеклянной подложки, которую прогревают при температуре не ниже 110° в течение не менее 120 минут и используют в качестве диффузионной фуллеренолсодержащей мембраны. Изобретение обеспечивает получение нового типа мембраны из нанокомпозита фуллеренол - поливиниловый спирт, обладающего хорошей экологической и материальной составляющими для производства мембраны, а также высокими транспортными свойствами мембраны, такими как селективность, проницаемость. 1 з. п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Наверх