апрель 2019

Синтез индигокармин-интекалированнного Ni-Al слоистого двойного гидроксида как электрохимически активного вещества и пигмента


Горбонос Андрій Андрійович Горбонос А. А. , Коваленко Вадим Леонидович Коваленко В. Л. , Коток Валерий Анатолиевич Коток В. А.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

Горбонос А. А., Коваленко В. Л., Коток В. А. Синтез индигокармин-интекалированнного Ni-Al слоистого двойного гидроксида как электрохимически активного вещества и пигмента / Химия и современные технологии : Метериалы ІХ Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Химия и современные технологии», 2019. – C. 102-104


Введение. В третьем тысячелетии для человека огромную роль играет мобильность, при которой он не привязан к источникам энергии. Ассиметричные суперконденсаторы, в частности с окисноникелевым электродом, широко используются как основной или резервный источник энергии в различных устройствах. На дорогах всё больше «зелёных» электромобилей или автомобилей с гибридным двигателем, источником энергии в которых служат такие суперконденсаторы. Стоимость и характеристики подобных гибридных гидроксида никеля определяются характеристиками. В тоже время окрашенные оксиды и гидроксиды металлов используются в качестве пигментов различного назначения. Одним из путей повышения активности гидроксида никеля является синтез слоистых двойных гидроксидов (СДГ) на основе Ni(OH)2. В кристал-лическую решетку СДГ для компенсации избыточного положительного заряда входит анион, который, как правило, является балластом. Интеркалирование электрохимически активным окрашенным анионом является перспективным путем повышения электрохимической активности Ni-СДГ, имеющего пигментные свойства.

Метод синтеза. Синтез пигмента проводился методом синтеза при постоянном рН: растворы нитратов никеля и алюминия (с соотношением Ni:Al=4:1), щелочи и индигокармина перистальтическими насосами подавались в реакционный стакан, содержащий начальный раствор, при температуре 60°С и непрерывным перемешивании. Синтез проводился в двух вариантах: 1) при равновесном рН (в качестве начального раствора использовалась дистиллированная вода, количество щелочи соответство-вало стехиометрии реакции); 2) при рН=14 (начальный раствор имел рН=14, количество щелочи, подаваемое в реакционный стакан, рассчитывалось по стехиометрии с избытком для поддержания рН=14). В качестве образцов сравнения по вышеуказанным методикам были синтезированы карбонат-интеркалированные Ni-Al СДГ. После окончания процесса добавления реакционная смесь выдерживалась при при той же температуре и перемешивании 20 минут. Далее полученный осадок отфильтровывался на вакуум насосе, высушивался при 90-95ºС в течении суток, размалывался, заливался дистиллированной водой для отмывки от солей и неинтеркалиро-ванного красителя, отфильтровывали снова высушивали.

Методы изучения образцов. Изучение структуры и свойств проводилось с помощью рентгенофазового анализа, термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Цветовые характеристики изучались путем определения координат цвета на цветовом компараторе. Координаты цвета представлялись в системе XYZ и CIELab, а так же рассчитывались цветовой тон, чистота цвета и насыщенность. Изучение электрохимических свойств проводилось методами: 1) циклической вольтамперометрии; 2) гальваностатического зарядно-разрядного циклиро-вания. В обоих случаях образец гидроксида в смеси с графитом и ПТФЭ наносился на рабочий электрод, изготовленный из пеноникеля. Электролит − 6М раствор КОН, электрод сравнения − хлорсеребряный, противоэлектрод – Ni сетка. В циклической вольамперометрии электрод циклировали в интервале потенциалов 0-500 мВ. В случае гальваноста-тического заряда-разряда плотности тока циклирования: 20, 40, 60, 80, 120 мА/см2. При каждой плотности тока проводили 5 циклов.

Результаты. Рентгенофазовый анализ показал, что все образцы имеет решетку Ni(OH)2, т.е. фактически являются Ni-Al СДГ. DTG кривые пигментов показали, что введение индигокармина увеличивает термическую стойкость СДГ.

Были изучены цветовые характеристики синтезированных образцов пигментов. Выявлено, что индигокармин-интеркалированные Ni-Al СДГ, синтезированные при равновесном рН и рН=14 имеют близкие цветовые характеристики (цветовой тон 486 и 483 нм, чистота цвета 5 и 3% соотвественно). Однако образец, синтезированный при равновесном рН, более темный, чем образец, синтезированный при рН=14: коэффициент диффузного отражения составил 9,1 и 15,42%.

Изучены электрохимические характеристики синтезированных образ-цов. Методом циклической вольтамперометрии показана высокая электро-химическая активность индигокармин-интеркалированных образцов. При гальваностатическом зарядно-разрядном циклировании выявлено наличие на разрядной кривой двух площадок. Первая площадка при потенциалах 260-210 мВ, соответствует разряду окисленной формы никеля. Вторая площадка при потенциалах −900…−1000 мВ, однозначно указывает на обратимый разряд анионам индигокармина. Таким образом, показано, что при зарядно-разрядном циклировании обратимо циклируется как гидроксид никеля, так и индигокармин, что увеличивает емкость индигокармин-интеркалированного Ni-Al СДГ. Показана высокая удельная емкость образцов.

ВЫВОДЫ. 1) Проведено получение образцов Ni4Al слоистого двойного гидроксида, интеркалированного индигокармином, методом синтеза при постоянном рН, а именно при равновесном рН и рН=14; 2) Методом РФА доказано образование индигокармин-интеркалированного Ni-Al слоистого двойного гидроксида; 3) Изучены цветовые характе-ристики образцов индигокармин-интеркалированного Ni-Al СДГ, полу-ченных при разных рН. Показаны высокие пигментные характеристики полученных образцов. 4) Выявлены высокие электрохимические характе-ристики образцов индигокармин-интеркалированного Ni-Al СДГ, полу-ченных при разных рН. 5) Впервые выявлено обратимое циклирование индигокармин-аниона, интеркалированного в Ni-Al СДГ.