Layer-by-layer synthesis of multilayers of metal-oxygen compounds containing graphene and new functional nanomaterials based on them

Abstract

Аннотация К работе «Послойный синтез мультислоев металл-кислородных соединений, содержащих графен и новые функциональные наноматериалы на их основе».

Выполненная работа посвящена созданию новых методик послойного синтеза ряда сложных оксидов (гидроксидов) переходных металлов и их композитов с графеном, а также изучению их электрокаталитических свойств в реакциях выделения кислорода и водорода при электролизе воды в щелочной области.

Актуальность работы определяется тем, что синтезированные сложные оксиды (гидроксиды) никеля, железа, цинка и меди проявляют свойства электрокатализаторов в реакции разложения воды электролизом лежащей, как известно, в основе многих технологических процессов в водородной энергетике. В качестве физических методов исследования синтезированных слоев использовались методы сканирующей электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, циклической вольтамперометрии. В результате проведенных экспериментов было установлено, что при обработке подложки по методике ионного наслаивания в растворах аммиаката меди с концентрацией 0,01 М и рН равным 9,5 и соли Мора с концентрацией 0,01 М и равновесным рН на поверхности образуется слой Cu0,5FeOx·nH2O, состоящий из нанокристаллов, имеющих морфологию наностержней диаметром около 5 нм и длиной до 20-30 нм. Если обрабатывать подложку аммиакатом кадмия с концентрацией 0,01 М и рН равным 9,0 и соли Мора с концентрацией 0,01 М и равновесным рН, на поверхности образуется слой Cd0,1Fe(II)xFe(III)(OH)y·nH2O, состоящий из нанокристаллов, имеющих морфологию нанолистов толщиной примерно 10 нм и планарным размером до 200 нм. Обработка подложек со слоями Cu0,5FeOx·nH2O и Zn0,5Fe(OH)x·nH2O, синтезированными в результате 30 циклов ионного наслаивания, в растворе аммиаката никеля изменяет морфологию исходных нанокристаллов. При этом, как следует из примера обработки в данном растворе слоя Zn0,5Fe(OH)x·nH2O, часть катионов цинка растворяется, катионы никеля входят в его состав и суммарный состав образующегося соединения может быть представлен как Zn0,4Ni0,5Fe(OH)x·nH2O. Также было показано, что при послойном синтезе с использованием водных раствора CoCl2 и суспензии графена в растворе NaBH4 на поверхности подложки образуется слой нанокомпозита, состоящий из 2D нанокристалллов гидроксида кобальта и нанолистов графена.

Прикладное значение работы состоит в том, что развитые методики синтеза могут быть рекомендованы в качестве базовых при поиске эффективных электрокатализаторов разложения воды электролизом в щелочной области. Так синтезированный слой нанокомпозита, состоящий из нанокристаллов гидроксида кобальта и нанолистов графена проявляет электрокаталитические свойства в реакции выделения водорода и характеризуется при токе 10 мА*см-2 значением перенапряжения равным 212 мВ, а слой Zn0,4Ni0,5FeOx·nH2O - в реакции выделения кислорода и характеризуется значением перенапряжения равным 286 мВ.

Annotation To the work "Layered synthesis of multilayers of metal-oxygen compounds containing graphene and new functional nanomaterials based on them."

This work is devoted to the creation of new methods for the layer-by-layer synthesis of a number of complex oxides (hydroxides) of transition metals and their composites with graphene, as well as to the study of their electrocatalytic properties in oxygen and hydrogen evolution reactions during electrolysis of water in the alkaline media.

The relevance of the work is determined by the fact that the synthesized complex oxides (hydroxides) of nickel, iron, zinc and copper exhibit the properties of electrocatalysts in the decomposition of water by electrolysis, which is known to underlie many technological processes in hydrogen energy. As physical methods for studying the synthesized layers, scanning electron microscopy, X-ray spectral microanalysis, and cyclic voltammetry were used. As a result of the experiments, it was found that when the substrate is processed by the method of ion layering in solutions of copper ammonia with a concentration of 0.01 M and a pH of 9.5 and a Mohr salt with a concentration of 0.01 M and an equilibrium pH, a Cu0.5FeOx layer is formed on the surface · NH2O, consisting of nanocrystals having a morphology of nanorods with a diameter of about 5 nm and a length of up to 20-30 nm. If the substrate is treated with cadmium ammonia with a concentration of 0.01 M and a pH of 9.0 and a Mohr salt with a concentration of 0.01 M and an equilibrium pH, a layer of Cd0.1Fe (II) xFe (III) (OH) y · nH2O is formed on the surface consisting of nanocrystals having a morphology of nanosheets with a thickness of about 10 nm and a planar size of up to 200 nm. The treatment of substrates with Cu0.5FeOx · nH2O and Zn0.5Fe (OH) x · nH2O layers synthesized as a result of 30 cycles of ionic layering in a solution of nickel ammonia changes the morphology of the initial nanocrystals. Moreover, as follows from the example of processing a Zn0.5Fe (OH) x · nH2O layer in this solution, part of the zinc cations dissolves, nickel cations are included in its composition and the total composition of the resulting compound can be represented as Zn0.4Ni0.5Fe (OH) xnH2O. It was also shown that during layer-by-layer synthesis using an aqueous solution of CoCl2 and a suspension of graphene in a NaBH4 solution, a nanocomposite layer consisting of 2D cobalt hydroxide nanocrystals and graphene nanosheets is formed on the surface of the substrate.

The applied value of the work is that the developed synthesis methods can be recommended as the base when searching for effective electrocatalysts for water decomposition by electrolysis in the alkaline media. Thus, the synthesized nanocomposite layer, consisting of cobalt hydroxide nanocrystals and graphene nanosheets, exhibits electrocatalytic properties in the hydrogen evolution reaction and is characterized by a surge voltage of 212 mV at 10 mA * cm-2, and a Zn0.4Ni0.5FeOx · nH2O layer in the oxygen evolution reaction and is characterized by an overvoltage value of 286 mV.