Лаборатория физики углеродных наноструктур и композитных систем

Направления и результаты исследований

ЭПР и ЯМР исследования структуры, электронных и магнитных свойств электродных материалов литий ионных аккумуляторов на основе литиевых оксидов переходных элементов. Установление основных закономерностей между рабочими параметрами (рабочим напряжением, удельной мощностью, внутренним сопротивлением) и структурными и электронными свойствами анодных и катодных материалов. Определение изменения валентного состояния переходного элемента, локальной структуры комплекса переходной металл кислород, и литиевой подрешеток, происходящие при заряде/разряде аккумуляторной батареи. Подробнее...

Проведены электрохимические и ЭПР исследования образцов литиевых оксидов переходных металлов со структурой NASICON (Na Super Ionic Conductor, соединения (Li₂Mn₂(MoO₄)₃, Na₃V₂(PO₄)₃, Li₃V₂(PO₄)₃), обладающих высокой подвижностью ионов лития, что является определяющим фактором их применения в литий ионных аккумулирующих системах. Установлено, что процесс интеркаляции/деинтеркаляции лития сопровождается изменением валентного состояния ионов переходного элемента. При этом процесс заряда/разряда характеризуется коррелированным движением электронов и ионов лития. Данные измерений ЭПР указывают на то, что практически во всех исследованных системах наблюдаются сигналы ЭПР от антиструктурных дефектов, обусловленных локализацией небольшой части ионов переходного металла в литиевой подрешетке. Установлено по данным ЭПР, что в процессе заряда/разряда происходит миграция ионов лития из антиструктурных дефектов в равновесные позиции. Найдено существование значительного перекрытия 3d орбиталей переходного элемента и 2p орбиталей лигандного кислорода, что приводит к косвенному обменному взаимодействию и магнитному упорядочению в системе магнитных ионов переходного элемента

Публикации

1. N.M. Suleimanov, S.R.S. Prabaharan, S.M. Khantimerov, et al. Magnetic order and electronic properties of Li₂Mn₂(MoO₄)₃ material for lithium-ion batteries: ESR and magnetic susceptibility studies// Appl. Phys. A: Materials Science & Processing. – 2016. Vol. 122. – P. 754-760.

2. F.A. Nizamov, P.N. Togulev, D.R. Abdullin, S.M. Khantimerov, N.M. Suleimanov, et al. Antisite defects and valence state of vanadium in Na₃V₂(PO₄)₃ // Physics of the Solid State. – 2016. – Vol. 58. – P. 475-480.

3. N.M. Suleimanov, S.R.S. Prabaharan, D.R. Abdullin, M.S. Michael. Nanotechnology in Advanced Electrochemical Power Sources. – 2015.– 350 pages, pp. 199-218.
Разработка и исследование композитных материалов с заданными физико-механическими и электрофизическими характеристиками на основе цементных и полимерных сред, легированных углеродными нанотрубками. Подробнее...

Разработана методика диспергирования и функционализации углеродных нанотрубок для получения композицитных материалов на их основе с равномерным распределением легирующей добавки в объеме материала.

Рис. 2.1. – Электронные микрофотографии исходных (а) и функционализированных (б) углеродных нанотрубок.

Рис. 2.2. – Схематическое изображение модифицированной углеродной нанотрубки.

Публикации

1. С.М. Хантимеров, Н.М. Сулейманов. Модифицированные наноструктурные наполнители для полимеров. Материалы Международной научно-технической конференции "Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы– 2015". Казань, 2-4 декабря 2015, с.155-157.

2. Khantimerov S.M., Suleimanov N.M. Electromagnetic interference shielding effect of modified carbon nanotubes/polymer composites. 8th ECNP International Conference on Nanostructured Polymers and Nanocomposites. Dresden, Germany. 2014. P. 114.

3. Khantimerov S.M., Suleimanov N.M. Dopants based on carbon nanotubes with controllable electrophysical properties. Материалы I Международной научно-практической конференции, г.Тамбов, 11-13 ноября 2015. с.173-174.
Получение и определение каталитических свойств углерод-металлических нанокомпозитов. Подробнее...

3.1. Синтезированы композиты на основе углеродных нанотрубок (УНТ) и никелевых наночастиц, образованных на поверхности УНТ непосредственно в процессе синтеза. Исследованы электрохимические свойства таких композитов и обнаружена их электрокаталитическая активность к окислению низкомолекулярных спиртов в щелочной среде.

Рисунок 3.1 – Электронно-микроскопическое изображение нанокомпозитов, состоящих из углеродных нанотруб и никелевых наночастиц

Рисунок 3.2 – Циклические вольтамперограммы электроокисления метанола в щелочи при различных скоростях развертки потенциала. 1 – 10 мВ/с, 2 – 20 мВ/с, 3 – 50 мВ/с.

Реакции на электроде:

Ni + 2OH^– ⇄ Ni(OH)₂                                                                                             (1)

Ni(OH)₂ ⇄ NiO(OH) + e^- + H⁺                                                                               (2)

NiO(OH) + органическое соединение ⇄ Ni(OH)₂ + продукт реакции                        (3)

3.2. Проведены in situ ЯМР и мюонные исследования реакции диссоциации метанола на углерод-металлических нанокомпозита VulcanXC-72/Pt-Ru. Впервые методом мюонного спинового резонанса наблюден сигнал мюонного радикала от промежуточного продукта распада метанола – формальдегида и определено время существования молекулы формальдегида на поверхности Vulcan XC-72/Pt-Ru, которое составило 0.25 микросекунды. Полученные результат указывает на возможность дополнительного вклада в эту величину спин-спинового взаимодействия формальдегид-мюонного радикала с другими промежуточными продуктами реакции, обладающими спиновыми степенями свободы. Методом ЯМР обнаружена линия протонного резонанса предположительно от водорода, образовавшегося в процессе диссоциации метанола на поверхности углерод-металлического нанокомпозита Vulcan XC-72/Pt-Ru.

Рисунок 3.3 – Кросс-релаксационный резонансный сигнал мюонного радикала, образованного присоединением мюония к молекуле формальдегида.

Рисунок 3.4 – ¹H ЯМР-спектры исходного метанола (а) и метанола, нанесенного на

Vulcan XC-72/Pt-Ru катализатор (б).

Публикации

1.      N.M. Suleimanov, S.M. Khantimerov, E.F. Kukovitsky, V.L. Matukhin Electrooxidation of ethanol on carbon nanotube-nickel nanoparticles composites in alkaline media // J. Solid State Electrochem. – 2008. – Vol. 12. – P. 1021-1023.

2.      N.M. Suleimanov, S.M. Khantimerov, R. Scheuermann, et al. In situ muSR and NMR investigation of methanol dissociation on carbon-supported nanoscaled Pt-Ru catalyst // J. Solid State Electrochem. – 2013. – Vol. 17. – P. 2115-2121.

3.      S.M. Khantimerov, E.F. Kukovitsky, N.A. Sainov, N.M. Suleimanov. Fuel Cell Electrodes Based on Carbon Nanotube/Metallic Nanoparticles Hybrids Formed on Porous Stainless Steel Pellets // Inter. J. Chem. Eng. – 2013. – Vol. 2013. – P. 1-4.
Изучение и разработка методов интеркалирования водорода и лития в конические многостенные углеродные нанотрубки. Подробнее...

Впервые на конических УНТ получены кривые заряжения (сорбции) и разряжения (десорбции) водорода. Полученные результаты показывают, что сорбция водорода на конических УНТ обратима. Рентгеноструктурным методом установлено, что электрохимическое наводороживание приводит к изменению профиля дифракционного пика (2θ = 26°), соответствующего межплоскостному расстоянию в УНТ. Полученные результаты указывают на структурные изменения, происходящие при наводораживании в конических стенках УНТ. Такие изменения в наводороженных образцах УНТ могут быть связаны с присоединением водорода к π-связям графитовых слоев.

Рисунок 4.1 – Рентгенограммы исходного (а) и наводороженного (б) образцов конических углеродных нанотрубок.

Установлено, что электрохимическое наводораживание приводит к снижению проводимости конических углеродных нанотрубок. Такое поведение связывается с интеркаляцией водорода в межплоскостное пространство УНТ и взаимодействием его с π-связями углеродной плоскости с образованием химических С–Н связей. Это, в свою очередь, приводит к переходу от sp² к sp³ гибридизации зонной структуры графита и, соответственно, переходу металл-полупроводник-диэлектрик.

Рисунок 4.2 – Температурная зависимость проводимости конических углеродных нанотрубок. Здесь: кУНТисх – исходный образец, кУНТнаводор – образец после электрохимического наводораживания, σ300 – проводимость при 300 К.

Публикации

1. S.M. Khantimerov, P. N. Togulev, E. F. Kukovitsky, N. M. Lyadov, and N. M. Suleimanov. Effect of Electrochemical Treatment on Electrical Conductivity of Conical Carbon Nanotubes // J. Nanotech. – 2016. Article ID 8034985, 5 pages. doi:10.1155/2016/8034985.

2. S.M. Khantimerov, V.A. Shustov, N.V. Kurbatova, et al. Effect of electrochemical treatment on structural properties of conical carbon nanotubes // Appl. Phys. A: Materials Science & Processing. – 2013. – Vol. 113. – P. 597-602.
3. S.M. Khantimerov, N.M. Suleimanov, E.F. Kukovitsky, et. al. Investigation of electrochemically hydrogenated carbon nanotubes // Inter. J. Hydrogen Energy. – 2011. – Vol. 36. – P. 1236-1238.

Разработка и изготовление научно-образовательного комплекса по водородной энергетики на основе автономной энергетической установки с использованием водородно-кислородного и метанольного топливных элементов (совместно с Казанским государственным энергетическим университетом). Подробнее...

На основе проведённых нами ранее исследований по изучению каталитических электродов топливных элементов, состоящих из углеродных нанотрубок и металлических наночастиц, был разработан и изготовлен (совместно с КГЭУ) научно-образовательный комплекс на основе автономной энергетической установки на базе фотоэлемента, электролизера и топливного элемента (рис. 5.1). Комплекс создан для изучения основ нанотехнологий и водородной энергетики и получения навыков работы с водород-кислородными (воздушными) и метанольными топливными элементами. Одной из целей является также развитие и популяризация идей и технологий экологически чистой и устойчивой энергетики, основанной на водороде и безуглеродном цикле. Разработанное и изданное учебно-методическое пособие включает необходимый теоретический материал, а также указания к проведению лабораторных работ, включающих множество фундаментальных и прикладных экспериментов.

Рис. 5.1. Научно-образовательный комплекс по водородной энергетике и топливным элементам. 1 – солнечный фотоэлемент; 2 – электролизер; 3 – топливный элемент (а- водородно-кислородный, б- метанольный); 4 – регистрирующий блок.

Данный стенд показывает возможность непосредственного превращения химической энергии топлива (водорода) в электрическую в топливном элементе (3). Водород получается путём электролиза воды (2) и непосредственно поступает в топливный элемент. Источником тока для электролиза служит фотоэлемент (1). Недостатком данной схемы является отсутствие возможности хранить и накапливать водород. Для решения данной задачи могут быть использованы разрабатываемые контейнеры водорода на основе углеродных нанотрубок (5).

В настоящее время разрабатывается программное обеспечение для выполнения экспериментов, измерения характеристик функционирования системы, вывода и обработки параметров на ПК.

Рис. 5.2. Принципиальная схема научно-образовательного комплекса по водородной энергетике и топливным элементам

Комплекс может работать на технических спиртах, в частности, на метаноле, и может использоваться как автономная энергетическая установка для питания мобильных электронных устройств мощностью до 100 Вт.

Публикации

1. Матухин В.Л., Сахратов Ю.А., Сулейманов Н.М., Хантимеров С.М.: Водородная энергетика и топливные элемeнты. Учеб.-метод. пособие. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т 2010. 104 с.

Исследования выполняются в рамках грантов РФФИ, Президиума и ОФН РАН, Академии наук Республики Татарстан, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.