Использование электрохимических методов изучения адсорбции для характеристики новых углеродных материалов
Проект Министерства образования и науки Республики КазахстанИРН: AP08957598
Актуальность проекта: Разработка способа электрохимической модификации углеродного материала с наделением его необходимыми сорбционными свойствами является актуальным и инновационным направлением развития сорбционных технологий.
Цель проекта состоит в исследовании процесса адсорбции неорганических и/или органических веществ на разработанных углеродных материалах электрохимическими методами.
Задачи проекта:
1) получение углеродных материалов (УМ) на основе растительного и углерод-минерального сырья;
УМ будут получены из различного по природе и строению сырья для изучения влияния природы УМ на его адсорбционные свойства. Будут изучены их основные физико-химические характеристики (удельная поверхность, суммарный объем пор, механическая прочность, pH водной вытяжки, электропроводность, адсорбционная активность по йоду, зольность, влажность, содержание углерода и/или др.) для получения УМ с высокой удельной поверхностью, развитой химией поверхности;
2) определение диапазонов главных факторов, влияющих на процесс изготовления механически прочных углеродных электродов (УЭ);
Главными факторами, влияющих на процесс изготовления механически прочных УЭ, выступают давление и температура при прессовании и соотношение УМ: связующее. Оптимальные значения будут найдены путем подбора главных факторов, влияющих на процесс, при помощи следующих методов: ПФЭ (полнофакторный эксперимент), метода крутого восхождения (метод Бокса-Уилсона) и сравнения между собой центрального композиционного ротатабельного плана, метода Бокса-Бенкена и матрицы Doehlert и др. Получение механически прочных УЭ будет недостаточно, потому что УЭ должен также обладать такими свойствами, как высокая электропроводность, электрохимическая и химическая инертность и т.д. Вследствие чего, требуется исследовать влияние состава электролита, соотношение УМ : связующее, дисперсности исходных материалов, оптимальный диапазон температуры и давления при прессовании, провести оценку полученных после модификации адсорбционных характеристик, изучить морфологию поверхности УМ методами электронной микроскопии, путем измерения емкости двойного электрического слоя и др.
3) изучение адсорбционных характеристик органических и/или неорганических веществ электрохимическими методами полученных углеродных материалов.
Методами электрохимической импедансной спектроскопии, линейной, импульсной и циклической вольтамперометрии будут изучены емкость, строение двойного электрического слоя, адсорбционные характеристики и др. полученных углеродных электродов на примере различных веществ (неорганических, органических соединений и/или др.).
Основные члены проекта
1. Атчабарова Ажар Айдаровна – научный руководитель проекта, PhD
Индекса Хирша – 2.
Web of Science Researcher ID - D-3857-2015
https://app.webofknowledge.com/author/record/5611070
ORCID: 0000-0002-4600-2728
https://orcid.org/0000-0002-4600-2728
Scopus ID: 56998822600
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=56998822600&eid=2-s2.0-85078265815
2. Абдуахытова Динара Ақтайқызы, научный сотрудник
Индекс Хирша – 1.
Web of Science Researcher ID - GOW-9941-2022
https://www.webofscience.com/wos/author/record/32550172
ORCID: 0000-0002-4316-0755
https://orcid.org/0000-0002-4316-0755
Scopus ID: 57344630000
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57344630000
3. Әбдімомын Сәкен Қынабекұлы, лаборант
Web of Science Researcher ID - DTP-7335-2022
https://www.webofscience.com/wos/author/record/14897737
ORCID: 0000-0002-5985-9050
https://orcid.org/0000-0002-5985-9050
Scopus ID: 57518892100
https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57518892100
4. Шрейдер Елизавета Романовна, лаборант
Используемые методы
1. Циклическая вольтамперометрия
2. Рентгеноспектральный анализ
3. Электронная сканирующая микроскопия
4. Атомно-абсорбционная спектроскопия
5. Термогравиметрический анализ
6. ИК-спектроскопия
7. Раман-спектроскопия
8. Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой
9. Газовая хроматография
10. Рентгенофазовый анализ
11. БЭТ
Ожидаемые результаты
1) Будут получены углеродные материалы на основе растительного и углерод-минерального сырья. Будут изучены их основные физико-химические характеристики (удельная поверхность, суммарный объем пор, механическая прочность, pH водной вытяжки, электропроводность, адсорбционная активность по йоду, зольность, влажность, содержание углерода и/или др.);
2) Будут подобраны оптимальные диапазоны основных факторов, влияющих на изготовление механически прочных углеродных электродов; методами полнофактрного эксперимента будут найдены оптимальные значения главных факторов и изготовлены механически прочные, электрохимически и химически инертные, высоко электропроводимые углеродные электроды; изучены влияние исходного сырья, степень дисперсности углеродных материалов и др.
3) Будут изучены адсорбционные характеристики разработанных углеродных материалов при сорбции неорганических и/или органических веществ.
Достигнутые результаты
1. Получены углеродные материалы. Изучены физико-химические и структурные характеристики. Для работы выбран - активированный карбонизат скорлупы грецкого ореха ГТК 240
/24ч+ ПГА (Sуд =738,0 м2/г, 82,2% по йоду).
2. Оптимизированы условия метода горячего прессования для получения механически прочных УЭ: АУ : УДПЭП = 70 : 30 %; Т = 1300С; Р = 150 атм.
3. Изучены электрохимические и адсорбционные характеристики УЭ методом циклической вольтамперометрии. Выяснено, что при рН<2 и потенциалах 0,45-0,55 В наблюдаются ярко выраженные пики в анодной области, что соответствует редокс реакциям системы хинон/гидрохинон с диффузионным контролем скорости. Установлено, что при рН<0,5 лимитирующей стадией редокс реакции является стадия переноса заряда, при рН>0,5 – стадия массопереноса.
Были изучены емкостные характеристики разработанных углеродных электродов установлено, что углеродные электроды на основе активированного карбонизата скорлупы грецкого ореха ГТК 240/24ч+ ПГА могут быть использованы в качестве материала для суперконденсаторов.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ПРОЕКТУ
Статьи в журналах Комитета по обеспечению качества в сфере образования и науки Министерства образования науки Республики Казахстан:
S. Abdimomyn, D. Abduakhytova, A. Atchabarova, G. L. Turdean, R. Tokpayev, K. Kishibayev, A. Kurbatov, M. Nauryzbayev Optimization of the preparation method of a mechanically strong carbon electrode // Bulletin of the Karaganda university. Chemistry series. – 4 (104). – 2021. – P. 95-103. – 10.31489/2021Ch4/95-103.
Статьи в международных журналах:
Atchabarova A.A., Abdimomyn S.K., Abduakhytova D.A., Zhigalenok Y.R., Tokpayev R.R., Kishibayev K.K., Khavaza T.N., Kurbatov A.P., Zlobina Y.V., Djenizian T.J. Role of carbon material surface functional groups on their interactions with aqueous solutions // Journal of Electroanalytical Chemistry - 922. – 2022. - 116707.
Потенциальным пользователям проекта:
Если Вы заинтересованы в тематике данного проекта обращайтесь к руководителю проекта Атчабаровой Ажар Айдаровне по электронному адресу: azhar.atchabarova@mail.ru. Мы непрерывно ищем сотрудничество в данной области исследования.