Введение к работе
Актуальность темы: Новые углеродные наноматериалы, в первую очередь углеродные нанотрубки (УНТ) и углеродные нановолокна (УНВ), уже не являются экзотическими продуктами, их производят в различных странах мира, объем производства растет сравнительно высокими темпами, а себестоимость и цены неуклонно снижаются. Высокая удельная поверхность, малая плотность, способность к химической функциализации (присоединению к поверхности активных функциональных групп) и образованию устойчивых водных и органических дисперсий позволяют применять УНТ и УНВ в разных целях. Если сначала их применяли исключительно как наполнители полимеров и компоненты электродов литий-ионных батарей, то сейчас намечается использование в виде упрочняющих добавок в керамических композитах, цементе, металлах, сплавах, в качестве сенсорных экранов, активных компонентов электронных схем, суперконденсаторов и др.
Одним из направлений применения функциализованных кислотной обработкой УНТ и УНВ (далее ф-УНТ и ф-УНВ) в технологии редких металлов является ионообменная сорбция. Это связано с тем, что кислотная функциализация ведет к присоединению различных кислородсодержащих групп - преимущественно карбоксильных и гидроксильных, которые способны обмениваться с ионами металлов. Методы химической функциализации УНТ и УНВ с помощью смеси концентрированных кислот известны, однако нуждаются в усовершенствовании. Процесс осложняется тем, что диспергируемость ф-УНТ и ф-УНВ в водных средах зависит от кислотности среды, что может сказываться и на поведении в процессе сорбции.
В качестве основного металла для изучения сорбционных характеристик материалов выбран цирконий. Его поведение сравнивали с поведением при ионообменной сорбции солей других металлов. В исследованиях был также использован графен (G).
Цель работы: исследование сорбционных свойств ф-УНТ и ф-УНВ; основные задачи: усовершенствование кислотной функциализации УНТ и УНВ для снижения расхода кислот; изучение влияния рН водных растворов на «растворимость» (S) ф-УНТ и ф-УНВ; исследование окисления графита (Г) электрохимическим методом; исследование характеристик ионообменной сорбции циркония из растворов его солей;
определение возможности электросорбции на неокисленных углеродных наноматериалах.
Поведение при окислении и сорбционные свойства ф-УНТ и ф-УНВ сопоставлены с поведением и свойствами оксида графита (ОГ) и оксида графена (OG).
Научная новизна диссертационной работы. В работе впервые показана возможность сорбции Zr на ф-УНВ (и ф-УНТ). Впервые исследованы условия окисления УНТ минимальными объемами кислот при микроволновом (MB) активировании. Впервые показана возможность получения ОГ сочетанием электрохимического окисления и МВ-активирования. Показана принципиальная возможность электросорбции Zr на неокисленном G.
Практическая значимость работы. Найдены условия окисления УНТ и УНВ, а также получения ОГ и OG при МВ-активировании. Показана возможность достижения высоких значений емкости при ионообменной сорбции солей циркония на ф-УНТ и ф-УНВ. Усовершенствован метод функциализации для снижения расхода кислот. Впервые определены значения рН растворов, при которых изменяется величина S ф-УНВ, ф-УНТ, ОГ и OG Определены концентрационные зависимости образования дисперсий неокисленных УНТ и УНВ с ПАВ Triton Х-100.
Надежность и достоверность результатов исследования основана на экспериментальных данных, полученных с помощью взаимодополняющих современных методов химического и структурного анализа, таких как электронная микроскопия и спектроскопические методы.
Личный вклад автора в диссертационную работу заключается в участии в определении задач работы, проведении основного массива экспериментов и анализов, в обсуждении и обработке результатов и формулировании основных выводов. Электронная микроскопия, измерения удельной поверхности, ПК- и ФЭ-спектроскопия проведены в соавторстве.
Апробация работы. Результаты исследований, вошедшие в работу, представлялись в виде устных и стендовых докладов на международных конференциях: "Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология", 2010 (Владимир) и
2012 (Троицк), Научная сессия МИФИ-2012 (Москва), Internatinal Conference on Advanced Carbon Nanostructures, 2011 (St Petersburg).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей и 5 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка источников и приложения, изложена на 124 страницах, содержит 54 рисунка, 22 таблицы, имеет 198 ссылок.
