ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА
Various methods for unzipping carbon nanotubes are described, which differ only in the method of acting on multi-walled carbon nanotubes which leads to obtain a partial unzipped carbon nanotubes or the creation of a defective hybrid structure in carbon nanotubes. By electrochemical anodic oxidation...
Saved in:
| Date: | 2019 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry
2019
|
| Online Access: | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/103 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Ukrainian Chemistry Journal |
| Download file: |  |
Institution
Ukrainian Chemistry Journal| _version_ | 1871465376811843584 |
|---|---|
| author | Danilov, Michail Rusetskyi , Ihor Dovbeshko, Galina Nikolenko, Andrii Fomanyuk, Sergey Kolbasov , Gennadii |
| author_facet | Danilov, Michail Rusetskyi , Ihor Dovbeshko, Galina Nikolenko, Andrii Fomanyuk, Sergey Kolbasov , Gennadii |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Michail Danilov",
"institution": "V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry of the Ukrainian NAS, prospekt Palladina 32–34 Kyiv 03142, Ukraine "
},
{
"author": "Ihor Rusetskyi ",
"institution": "V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry of the Ukrainian NAS, prospekt Palladina 32–34 Kyiv 03142, Ukraine "
},
{
"author": "Galina Dovbeshko",
"institution": "Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, 46 Nauky Avenue, Kyiv, 03039, Ukraine"
},
{
"author": "Andrii Nikolenko",
"institution": "Institute of Semiconductor Physics NAS of Ukraine Optical Submicron Spectroscopy Lab. 45, pr. Nauky, Kyiv 03028, Ukraine"
},
{
"author": "Sergey Fomanyuk",
"institution": "V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry of the Ukrainian NAS, prospekt Palladina 32–34 Kyiv 03142, Ukraine "
},
{
"author": "Gennadii Kolbasov ",
"institution": "V.I. Vernadskii Institute of General and Inorganic Chemistry of the Ukrainian NAS, prospekt Palladina 32–34 Kyiv 03142, Ukraine "
}
] |
| author_sort | Danilov, Michail |
| baseUrl_str | https://ucj.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T08:23:41Z |
| description | Various methods for unzipping carbon nanotubes are described, which differ only in the method of acting on multi-walled carbon nanotubes which leads to obtain a partial unzipped carbon nanotubes or the creation of a defective hybrid structure in carbon nanotubes.
By electrochemical anodic oxidation in 80 % sulfuric acid of multi-walled carbon nanotubes synthesized partially unzipped nanotubes and shows the results of the study. Using the methods of X-ray phase analysis, electron microscopy, and Raman spectra, it has been established that, as a result of electrochemical anodic oxidation, partially unzipped multi-walled carbon nanotubes are obtained. Two-layer oxygen electrodes were made, where synthesized materials were used as an active layer. Studies of the electrocatalytic characteristics of oxygen electrodes from partially unzipped multi-walled carbon nanotubes were carried out in a mock up of fuel cell with alkaline electrolyte. It is established that the degree of unzipping of multi-walled carbon nanotubes depends on the time of electrochemical oxidation. It has been suggested that it is possible to control the process of synthesis of partially unzipped nanotubes. It has been established that one of the methods for estimating the degree of unzipping of multi-walled carbon nanotubes can be studies the electrochemical characteristics of oxygen electrodes based on these materials.
Electrochemical investigation has established that the obtained samples of partially unzipped multi-walled carbon nanotubes are promising materials as catalysts carrier for oxygen electrodes of fuel cells. The developed method synthesis of partially unzipped multi-walled carbon nanotubes allows obtaining electrode materials for chemical current sources. Oxygen electrodes, based on such electrochemically produced materials, were stable for six months at a discharge current density of 200 mA/cm2. Partially unzipped multi-walled carbon nanotubes are promising catalyst carrier for electrodes of chemical current sources, as well as a material for hybrid nanocomposites with predetermined characteristics. |
| doi_str_mv | 10.33609/0041-6045.85.11.2019.41-51 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:43:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
Фізична хімія
ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11 41
УДК 546.26-162: 541.13:549.21 doi: 10.33609/0041-6045.85.11.2019.41-51
М. О. Данилов 1*, И.А. Русецкий 1, Г.И. Довбешко 2, А.С. Николенко 3,
С.С. Фоманюк 1, Г.Я. Колбасов 1
ПОЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЧНО РАСКРЫТЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА
1 Институт общей и неорганической химии им. В.И. Вернадского НАН Украины,
просп. Академика Палладина, 32/34, Киев, 03142, Украина
2 Институт физики НАН Украины, просп. Науки, 46, Киев, 03680, Украина
3 Институт физики полупроводников им. В.Е. Лашкарева НАН Украины,
просп. Науки, 45, Киев, 03028, Украина
*е-mail: danilovmickle@rambler.ru
Электрохимическим анодным окислением в 80 %-й серной кислоте синтезирова-
ны частично раскрытые многостенные углеродные нанотрубки. Методами рент-
генофазового анализа, электронной микроскопии и спектров комбинационного
рассеивания установлена возможность получения электрохимическим анодным
окислением частично раскрытых многостенных углеродных нанотрубок. Изгото-
влены кислородные электроды с активным слоем из синтезированных материа-
лов. Исследованы их характеристики на макете топливного элемента со щелоч-
ным электролитом и установлено, что от времени электрохимического окисления
зависит степень раскрытия многостенных углеродных нанотрубок. Электрохими-
ческими исследованиями установлено, что образцы частично раскрытых много-
стенных углеродных нанотрубок являются перспективными материалами в каче-
стве носителя катализаторов для кислородных электродов топливных элементов.
Кислородные электроды на их основе были стабильны в течение шести месяцев
при плотности тока разряда 200 мА/см2.
К л ю ч е в ы е с л о в а: частично раскрытые многостенные углеродные на-
нотрубки, кислородный электрод, электрокатализ, электродные материалы.
ВВЕДЕНИЕ. Многостенные углерод-
ные нанотрубки и графен могут иметь
похожие физические, химические и ката-
литические свойства. Например, при на-
несении на эти материалы катализатора
их электрокаталитические свойства резко
возрастают. Применяя окислительное воз-
действие, можно продольно раскрыть
МУНТ и получить листы графена с соот-
ветствующим числом слоев [1]. Контроли-
руя процесс раскрытия нанотрубок, мож-
но синтезировать многостенные углерод-
© М. О. Данилов, И.А. Русецкий, Г.И. Довбешко, А.С. Николенко, С.С. Фоманюк,
Г.Я. Колбасов, 2019
mailto:danilovmickle@rambler.ru
М. О. Данилов, И.А. Русецкий, Г.И. Довбешко, А.С. Николенко и др.
42 ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11
ные нанотрубки с дефектной структурой
[2, 3], или частично раскрытые много-
стенные углеродные нанотрубки (ЧРМ-
УНТ) [4]. Были обнаружены необычные
электронные свойства частично раскры-
тых нанотрубок со структурой «кресло» в
зависимости от степени их раскрытия [5].
В литературе описаны различные методы
раскрытия нанотрубок, которые отли-
чаются только способом воздействия на
Рис. 1. Схематическое изображение много-
стенных углеродных нанотрубок: а — ис-
ходные; b — травленные; c — частично рас-
крытые; d — полностью раскрытые.
многостенные углеродные нанотрубки,
приводящие к частичному раскрытию на-
нотрубок или созданию дефектной гиб-
ридной структуры у нанотрубок. Их
можно классифицировать как химические
[6], механические [7], физические [8],
электрохимические [9] и физико-хими-
ческие методы [10]. Получаемые в ре-
зультате таких воздействий структуры
углеродных нанотрубок можно назвать
травленными (b), частично открытыми (с)
и полностью раскрытыми (d) (рис. 1) При
дальнейшем воздействии могут получаться
агломерированные нанокомпозитные
фрагменты графеновых нанопластинок.
Контролировать процесс электрохимиче-
ского раскрытия графеноподобных угле-
родных структур, например МУНТ, мож-
но, управляя такими параметрами как на-
пряжение, сила тока и время, получив в
результате материалы с заранее заданны-
ми параметрами, а соответственно, и
электрокаталитическими свойствами. Из-
вестно, что ЧРМУНТ характеризуются
высокой электропроводностью и большой
удельной поверхностью, а также могут
образовывать 2D- и 3D-пространствен-
ные мезопористые структуры. Эти свой-
ства могут способствовать лучшей транс-
портировке ионов и, следовательно, хо-
рошей зарядке двойного слоя, что делает
их перспективными для создания гибрид-
ных композитных каталитических мате-
риалов на основе частично раскрытых
нанотрубок с нанесенным на них катали-
затором. Кроме того, благодаря трубча-
той мезопористой углеродистой структуре
и малой насыпной плотности возможно
расширение зоны тройного контакта элек-
трод–электролит–кислород, в которой про-
исходит процесс генерации тока в элек-
троде топливного элемента. Это должно
приводить к увеличению рабочей плотно-
сти тока на таком электроде, по сра-
внению с электродами на основе активи-
рованных углей. Соответственно, облас-
тями применения подобных гибридных
материалов являются электроды топлив-
ных элементов [11], сенсоры [12, 13], ли-
тий-ионные аккумуляторы [14].
МУНТ и графеновые материалы нахо-
дят применение в качестве носителей ка-
тализаторов для электродов химических
источников тока. Известно, что электро-
каталитические свойства кислородных
электродов зависят от дефектности струк-
туры и удельной поверхности электрод-
ного материала: чем они больше, тем
Получение частично раскрытых углеродных нанотрубок для кислородного електрода…
ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11 43
больше возрастает рабочая плотность то-
ка на кислородном электроде при одном и
том же потенциале. Поэтому исследова-
ние электрокаталитических свойств ма-
териалов на основе ЧРМУНТ в качестве
кислородного электрода может служить
косвенным методом для подтверждения
степени раскрытия многостенных угле-
родных нанотрубок. Исследуя электрока-
талитические характеристики кислород-
ных электродов из таких материалов,
можно по возрастанию рабочей плотно-
сти тока сделать выводы об увеличении
удельной поверхности и дефектности
структуры, что, по нашему мнению, мо-
жет свидетельствовать о степени раскры-
тия многостенных углеродных нано-
трубок.
Цель нашей работы — изучение про-
цесса контролируемого раскрытия много-
стенных углеродных нанотрубок под воз-
действием электрохимического анодного
оки-сления для получения электродных
материалов с заданными электрокатали-
тическими параметрами.
ЭКСПЕРИМЕНТ И . ОБСУЖДЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ. Для электрохимического
анодного окисления использовали много-
стенные углеродные нанотрубки. Внеш-
ний диаметр МУНТ составлял ~10–30 нм,
удельная поверхность — 230 м2/г, насып-
ная плотность 25–30 г/дм3, количест-во
стенок — от 8 до 15. Для удаления ос-
татков катализаторов из нанотрубок их
обрабатывали в нагретой фтористоводо-
родной кислоте.
Анодное окисление углеродных на-
нотрубок проводили в стеклянном ста-
канчике емкостью 150 мл, навеска МУНТ
составляла 1 г, электролит — 80 %-й рас-
твор серной кислоты. В качестве контей-
нера для окисления МУНТ брали мешо-
чек из кислотоустойчивой мембраны,
применяемой в свинцовых аккумуляторах.
Для плотного прижатия платинового
электрода размером 3×8 см и толщиной
0.005 см к навеске МУНТ использовали
фторопластовые вкладыши. Катодом
служил титановый электрод. Углеродные
нанотрубки окисляли в гальваностати-
ческом режиме в течение 0.5, 2 и 4 часов.
Анодное окисление МУНТ осуществля-
ли при потенциале +3 В. Как было пока-
зано нами ранее [10], при этом потенциа-
ле получаются окисленные нанотрубки с
наиболее высокими электрокаталитически-
ми свойствами. Электрод сравнения —
хлорсеребряный электрод, соединенный
через солевой мостик.
Двухслойные кислородные электроды
го-товили прессованием. Гидрофобный
слой со-держал 0.07 г/см2 ацетиленовой
сажи с 25 % политетрафторэтилена, а ак-
тивный слой — 0.02 г/см2 материала из
частично раскрытых углеродных нанот-
рубок с 5 % политетрафторэтилена. Ис-
следования проводили на макете топлив-
ного элемента, использовали в качестве
анода цинковый электрод. Макет для ис-
пытания газодиффузионных электродов
приведен на рис. 2. Электролитом служил
раствор 6М КОН. В качестве электрода
сравнения использовали хлорсеребряный
электрод, соединенный через солевой
мостик. Электрохимические нагрузочные
характеристики снимали в гальваноста-
тическом режиме. Источником кислорода
был U-образный электролизер со щелоч-
ным электролитом. Кислород подавался к
газовым электродам под избыточном дав-
М. О. Данилов, И.А. Русецкий, Г.И. Довбешко, А.С. Николенко и др.
44 ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11
Рис. 2. Схема ячейки: 1 — корпус; 2 — при-
жимная муфта; 3 — металлический токоот-
вод и трубка для подачи кислорода; 4 — ме-
таллическая сетка-токоотвод кислородного
электрода; 5, 6 — гидрофобный и активный
слой кислородного электрода соответствен-
но; 7 — прокладка из политетрафторэтиле-
на; 8 — электрод сравнения; 9 — цинковый
анод.
лением 0.01 МПа. Перед проведением
измерений кислородный электрод проду-
вали кислородом в течение часа.
Образцы подвергшихся обработке
МУНТ исследовали с помощью элек-
тронного микроскопа JEM-100 CXII. Рент-
генофазовый анализ проводили на рентге-
новском дифрактометре ДРОН-4 при из-
лучении CuKα. Спектры комбинационно-
го рассеяния регистрировали при помощи
спектрометра T-64000 Horiba Jobin-Yvon.
На рис. 3 показана рентгенограмма
порошков МУНТ и ЧРМУНТ. Рентгено-
фазовый анализа полученных образцов
показал, что пик вблизи 10°, который свя-
зывают с оксидом графена, на рентгено-
грамме отсутствует. Пик при 26° соответ-
ствует гексагональной плоскости графи-
Рис. 3. Рентгенограммы многостенных угле-
родных нанотрубок в зависимости от време-
ни анодного окисления: 1 — исходные на-
нотрубки; 2 — 0.5, 3 — 2, 4 — 4 часа.
Рис. 4. Спектры комбинационного рассея-
ния, полученные при λ = 633 нм для анодно
окисленных многостенных углеродных на-
нотрубок в зависимости от времени электро-
химической обработки: 1—– исходные на-
нотрубки; 2 — 0.5; 3 — 2; 4 — 4 часа.
та C (002) с межслоевым расстоянием
0.34 нм [15]. Этот пик подтверждает
дальний порядок и кристалличность в
многостенных углеродных нанотрубках, он
обусловлен неповрежденным внутренним
ядром МУНТ, которые не расслаивались в
процессе окисления. Кроме того, наблю-
дается пик при 22°, что соответствует
раскрытым малослойным и морщини-
стым слоям графена [15].
Получение частично раскрытых углеродных нанотрубок для кислородного електрода…
ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11 45
Для оценки качества углеродных
структур в зависимости от времени элек-
трохимической обработки проведены ис-
следования спектров КРС (рис. 4). В мате-
риале присутствуют все маркерные поло-
сы, характеризующие графитовые струк-
туры, а именно, D-, G- и 2D-полосы. По-
ложение, интенсивности и полуширины
полос являются отображением тех изме-
нений, которые происходят в образцах в
результате приложенных воздействий.
Анализ спектров первого порядка по
их разложению на 5 компонент (D, G, D и
две дополнительных T и A полосы)
проводили по методике, описанной в
работе [16].
Как видно из рис. 5, данный подход
позволяет хорошо описать эксперимен-
тально полученные частично раскрытые
многостенные углеродные нанотрубки.
Полоса T при ~1150 см–1 в рамановских
спектрах углеродных материалов связана
с формированием связей типа sp3, а поло-
са А при ~1500 см–1 обусловлена колеба-
ниями предельных атомов углерода гра-
фенового слоя и связана с разрывами
графеновой сетки [17].
Как следует из анализа усредненных
(для каждого образца) параметров рама-
новского спектра полос, их зависимость
от времени обработки является немоно-
тонной. В зависимости от времени анод-
ного окисления многостенных углерод-
ных нанотрубок отношение интенсивно-
стей ID/IG постепенно возрастает от исход-
ных нанотрубок к частично раскрытым
углеродным нанотрубкам, окисленным в
течение 2 часов, а затем для образца, окис-
ленного за 4 часа, отноше-ние интенсив-
ностей падает. При этом интенсивности
Рис. 5. Модель разложения раманов-
ских спектров на компоненты.
Рис. 6. Электронные микрофотографии
многостенных углеродных нанотрубок: ис-
ходной (а), протравленной после получаса
анодного окисления (б), частично раскры-
той после 2 часов (в) и полностью раскры-
той после 4 часов анодного окисления (г).
дополнительных A и T полос не прояв-
ляют видимо й зависимости. Также мо-
нотонно меняется ангармонизм ω2D-
2*ωD и положение D, D’ и 2D полос.
Характер более или менее постепенного
роста демонстрирует положение полосы
ωG, в то время как ее полуширина остает-
ся почти неизменной (колеблется в пре-
делах 0.6 см–1).
М. О. Данилов, И.А. Русецкий, Г.И. Довбешко, А.С. Николенко и др.
46 ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11
На электронных микрофотографиях
приведены исходные МУНТ и получен-
ные нами частично открытые нанотрубки
(рис. 6). В работе [18] наблюдалась де-
градация МУНТ в процессе их исследо-
вания с использованием трансмиссион-
ного электронного микроскопа. Для пре-
дотвращения подобного явления в наших
исследованиях применялось ускоряющее
напряжение 200 кВ, меньший ток пучка и
время экспозиции менее одной минуты.
Поэтому полученные изменения на мик-
рофотографиях относятся в основном
только к анодному окислению нанотру-
бок.
Таким образом, по результатов анали-
за спектров комбинационного рассеяния,
рентгенофазового анализа и электронной
микроскопии можно заключить, что в за-
висимости от времени анодного окис-
ления МУНТ получаются протравленные
(рис 6, б), частично открытые нанотрубки
(в) и полностью открытые многостенные
углеродные нанотрубки (г).
Из полученных ЧРМУНТ были изго-
товлены кислородные электроды, кото-
рые исследовали в макете топливного
элемента с жидким электролитом при
различных плотностях тока. Получены
зависимости электрохимических характе-
ристик кислородных электродов от вре-
мени окисления МУНТ.
На рис. 7 приведены зависимости плот-
ности тока от потенциала для кислород-
ных электродов на основе ЧРМУНТ. Об-
наружено, что при увеличении времени
анодного окисления до 4 часов электрохи-
мические характеристики кислородных
электродов (плотность тока при одном и
том же потенциале) возрастают. Это сви-
детельствует об изменении структуры и
удельной поверхности исследуемых ма-
териалов. Полученную зависимость
плотности тока от потенциала можно
объяснить тем, что при изменении вре-
мени окисления от получаса до 4 часов
получаются протравленные нанотрубки
(кривая 2), частично открытые нанотруб-
ки (время окисления ≤ 2 ч) (кривая 3).
При дальнейшем увеличении времени
анодного окисления получаются полно-
стью открытые многостенные нано-
трубки (кривая 4).
Рис. 7. Вольт-амперные нагрузочные харак-
теристики кислородных электродов с актив-
ным слоем 0.02 г/см2 на основе материлов из
частично раскрытых нанотрубок, получен-
ных при анодном электрохимическом окис-
лении МУНТ при потенциале +3В и различ-
ном времени окисления: 1 — 0, 2 — 0.5, 3
— 2, 4 — 4 часа.
Эта закономерность подтверждает
факт постепенного раскрытия нанотру-
бок в зависимости от приложенного окис-
лительного воздействия. Управляя про-
цессом обработки, мы получили ЧРМУНТ
с контролируемым уровнем раскрытия и,
соответственно, с разной удельной по-
верхностью, количеством дефектов и
Получение частично раскрытых углеродных нанотрубок для кислородного електрода…
ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11 47
функциональных групп на поверхности.
Кислородные электроды на основе
электрохимически полученных образцов
частично раскрытых нанотрубок в галь-
ваностатическом режиме при плотностях
тока 200 мА/см2 были стабильны в течение
шести месяцев. Полученные материалы
являются хорошим носителем катализато-
ра для электродов химических источни-
ков тока. Нанося на них различные ката-
лизаторы, можно получать гибридные
нанокомпозиты с заранее заданными ха-
рактеристиками.
ВЫВОДЫ. Анодным электрохимиче-
ским окислением многостенных углерод-
ных нанотрубок в кислой среде синтези-
рованы частично раскрытые многостен-
ные углеродные нанотрубки. С помощью
электронной микроскопии, рентгенофа-
зового анализа и спектров комбинацион-
ного рассеивания установлена возмож-
ность получения частично раскрытых
многостенных углеродных на-нотрубок.
Показано, что исследовние электрохими-
ческих характеристик кислородных элек-
тродов может быть одним из методов
оценки степени раскрытия многостенных
углеродных нанотрубок, перспективных
для применения в качестве электродных
материалов.
ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ
ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ
КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА
М.О. Данилов1*, І.А. Русецький1, Г.І. Довбе-
шко2, О.С. Ніколенко3, С.С. Фоманюк1, Г.Я.
Колбасов1
1Інститут загальної та неорганічної хімії
ім. В.І. Вернадського НАН України, просп.
Акаде-міка Палладіна, 32/34, Київ, 03142,
Україна
2 Інститут фізики НАН України, просп. На-
уки, 46, Київ, 03039, Україна
3 Інстітут фізики напівпровідників ім. В.Е.
Лашкарьова НАН України, просп. Науки, 45,
Київ, 03028, Україна
*е-mail: danilovmickle@rambler.ru
Розглянуто різні методи отримання част-
ково розкритих багатошарових вуглецевих
нанотрубок та показана перспективність за-
стосування їх в якості основи для нанесення
каталізаторів при отриманні гібридних мате-
ріалів для різних електрохімічних пристроїв.
Електрохімічним анодним окисленням у 80
%-й сірчаній кислоті синтезовано частково
розкриті багатошарові вуглецеві нанотрубки
і наведено результати їх дослідження. Мето-
дами рентгенофазового аналізу, електронної
мікроскопії та спектрів комбінаційного роз-
сіювання встановлено можливість отриман-
ня, в результаті електрохімічного анодного
окислення, частково розкритих багатошаро-
вих вуглецевих нанотрубок. Встановлено, що
в залежності від часу анодного окислення
багатошарових вуглецевих нанотрубок мож-
ливо отримувати протравлені, частково відк-
риті та повністю відкриті багатошарові вуг-
лецеві нанотрубки. Виготовлено двошарові
кисневі електроди, де в якості активного ша-
ру використовувалися синтезовані матеріали.
Дослідження електрокаталітичних характе-
ристик кисневих електродів з частково розк-
ритих багатошарових вуглецевих нанотрубок
проводили на макеті паливного елемента з
лужним електролітом. Доведено, що від часу
електрохімічного окислення залежить сту-
пінь розкриття багатошарових вуглецевих
нанотрубок та показана можливість контро-
лю процесу синтезу частково розкритих на-
нотрубок. Висловлено припущення, що одним
з методів оцінки ступеня розкриття багатоша-
рових вуглецевих нанотрубок можуть бути
М. О. Данилов, И.А. Русецкий, Г.И. Довбешко, А.С. Николенко и др.
48 ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11
дослідження їх електрохімічних характерис-
тик у кисневих електродах.
Електрохімічними дослідженнями вста-
новлено, що отримані зразки частково розк-
ритих багатошарових вуглецевих нанотрубок
є перспективними матеріалами в якості носія
каталізаторів для кисневих електродів пали-
вних елементів. Розроблений метод отри-
мання частково розкритих багатошарових
вуглецевих нанотрубок дозволяє одержувати
електродні матеріали для хімічних джерел
струму. Кисневі електроди на основі елект-
рохімічних матеріалів були стабільні протя-
гом шести місяців при густині струму розря-
ду 200 мА/см2.
К л ю ч о в і с л о в а: частково розкриті
багатостінні вуглецеві нанотрубки, кисневий
електрод, електрокаталіз, електродні матеріа-
ли.
OBTAINING PARTIALLY UNZIPPED
CARBON NANOTUBES FOR OXYGEN
ELECTRODES
M.O. Danilov1*, I.A. Rusetskyi1, G.I.
Dovbeshko2, A.S. Nikolenko3, S.S. Fomanyuk1,
G.Ya. Kolbasov1
1 V.I.Vernadsky Institute of General and Inor-
ganic Chemistry of the National Academy of
Sciences of Ukraine, 32/34 Academic Palladin
Avenue, Kyiv, 03142, Ukraine
2 Institute of Physics of the National Academy of
Sciences of Ukraine, 46 Nauky Avenue, Kyiv,
03039, Ukraine
3 V.E.Lashkaryov Institute of Semiconductor
Physics, 45 Nauky Avenue, Kyiv, 03028,
Ukraine
*е-mail: danilovmickle@rambler.ru
Various methods for unzipping carbon
nanotubes are described, which differ only in the
method of acting on multi-walled carbon nano-
tubes which leads to obtain a partial unzipped
carbon nanotubes or the creation of a defective
hybrid structure in carbon nanotubes.
By electrochemical anodic oxidation in 80
% sulfuric acid of multi-walled carbon nanotubes
synthesized partially unzipped nanotubes and
shows the results of the study. Using the meth-
ods of X-ray phase analysis, electron microsco-
py, and Raman spectra, it has been established
that, as a result of electrochemical anodic oxida-
tion, partially unzipped multi-walled carbon
nanotubes are obtained. Two-layer oxygen elec-
trodes were made, where synthesized materials
were used as an active layer. Studies of the
electrocatalytic characteristics of oxygen elec-
trodes from partially unzipped multi-walled car-
bon nanotubes were carried out in a mock up of
fuel cell with alkaline electrolyte. It is estab-
lished that the degree of unzipping of multi-
walled carbon nanotubes depends on the time of
electrochemical oxidation. It has been suggested
that it is possible to control the process of syn-
thesis of partially unzipped nanotubes. It has
been established that one of the methods for es-
timating the degree of unzipping of multi-walled
carbon nanotubes can be studies the electro-
chemical characteristics of oxygen electrodes
based on these materials.
Electrochemical investigation has estab-
lished that the obtained samples of partially un-
zipped multi-walled carbon nanotubes are prom-
ising materials as catalysts carrier for oxygen
electrodes of fuel cells. The developed method
synthesis of partially unzipped multi-walled car-
bon nanotubes allows obtaining electrode mate-
rials for chemical current sources. Oxygen elec-
trodes, based on such electrochemically pro-
duced materials, were stable for six months at a
discharge current density of 200 mA/cm2. Par-
tially unzipped multi-walled carbon nanotubes
are promising catalyst carrier for electrodes of
chemical current sources, as well as a material
mailto:danilovmickle@rambler.ru
Получение частично раскрытых углеродных нанотрубок для кислородного електрода…
ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11 49
for hybrid nanocomposites with predetermined
characteristics.
K e y w o r d s : partially unzipped multi-walled
carbon nanotubes, oxygen electrode, electro-
catalysis, electrode materials.
ЛИТЕРАТУРА
1. Danilov M.O., Slobodyanyuk I.A., Rusetskii
I.A., Kolbasov G.Ya. Synthesis of Reduced
Graphene Oxide Obtained from Multiwalled
Carbon Nanotubes and Its Electrocatalytic
Properties // Graphene Science Handbook:
Fabrication Methods. / Eds. M.
Aliofkhazraei, N. Ali, W.I. Milne et al. Lon-
don; New York: CRC Press / Taylor & Fran-
cis, 2016. -P. 205–226.
2. Young R.J., Kinloch I.A., Gong L., Novoselov
K.S. The mechanics of graphene nanocom-
posites: A review // Composites Science
and Technology. -2012. -72. -P. 1459–1476.
3. Torres D., Pinilla J.L., Moliner R., Suelves I.
On the oxidation degree of few-layer
graphene oxide sheets obtained from chemi-
cally oxidized multiwall carbon nanotubes //
Сarbon. -2015. -8. -P. 405–417.
4. Tang C., Guo W., Chen C. Structural and me-
chanical properties of partially unzipped car-
bon nanotubes // Phys. Rev. B. -2011. -83. -P.
075410-1–075410-6.
5. Huang B., Son Y-W., Kim G. et al. Multiple
localized states and magnetic orderings in
partially open zigzag carbon nanotube
superlattices: An ab initio study // J. Am.
Chem. Soc. -2009. -131. -P. 17919–17925.
6. Hu H., Song Y., Feng M., Zhan H. Carbon
nanomaterials for simultaneous determination
of dopamine and uric acid in the presence of
ascorbic acid: from one-dimensional to the
quasi one-dimensional // Electrochim. Acta. -
2016. -190. -Р. 40–48.
7. Tiwary C.S., Javvaji B., Kumar C. et al.
Chemical- free graphene by unzipping carbon
nanotubes using cryomilling // Carbon. -
2015. -89. -P. 217–224.
8. Silva A.A., Pinheiro R.A., Rodrigues A.C. et
al. Graphene sheets produced by carbon
nanotubes unzipping and their performance
as supercapacitor // Appl. Surface Science. -
2018. -446. -P. 201–208.
9. Danilov M.O., Rusetskii I.A., Slobodyanyuk
I.A., et al. A Facile Electrochemical Method
for Graphene Nanoplatelets Preparation Us-
ing Multi-walled Carbon Nanotubes // Fuel
cells. -2019. -19, № 3. -P. 202–210.
10. Long D., Li W., Qiao W. et al. Partially un-
zipped carbon nanotubes as a superior cata-
lyst support for PEM fuel cells // Chem.
Commun. -2011. -47. -P. 9429–9431.
11. Chandran P., Ramaprabhu S. Catalytic per-
formance of non-platinum-based hybrid car-
bon hetero-structure for oxygen reduction
and hydrogen oxidation reactions in proton
exchange membrane fuel cell // Int. J. Hy-
drogen Energy. -2018. -43, № 39. -P. 18477–
18487.
12. Alim S., Vejayan J., Yusoff M.M., Kafi
A.K.M. Recent uses of carbon nanotubes &
gold nanoparticles in electrochemistry with
application in biosensing: A review // Bio-
sensors and Bioelectronics. -2018. -121. -P.
125–136.
13. Chen S., Chen Q., Cai D., Zhan H. Defect-
mediated synthesis of Pt nanoparticles uni-
formly anchored on partially-unzipped car-
bon nanofibers for electrochemical
biosensing // J. Alloys Compounds. -2017. -
709. -P. 304–312.
14. Xiao B., Li X., Li X. et al. Graphene
Nanoribbons Derived from the Unzipping of
Carbon Nanotubes: Controlled Synthesis and
Superior Lithium Storage Performance // J.
Phys. Chem. C. -2014. -118. -P. 881−890.
М. О. Данилов, И.А. Русецкий, Г.И. Довбешко, А.С. Николенко и др.
50 ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11
15. Shende R.C., Ramaprabhu S. Thermo-optical
properties of partially unzipped multiwalled
carbon nanotubes dispersed nanofluids for
direct absorption solar thermal energy sys-
tems // Solar Energy Materials & Solar Cells. -
2016. -157. -P. 117–125.
16. Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of
Raman spectra of disordered and amorphous
carbon // Phys. Rev. B. -2000. -61. -P.
14095–14107.
17. Dovbeshko G., Fesenko O., Dementjev A. et
al. Coherent anti-Stokes Raman scattering
enhan-cement of thymine adsorbed on
graphene oxide // Nanoscale Res. Lett. -
2014. -9, № 1 -P. 263–274.
18. Герасимчук А.И, Мурафа Н., Огенко
В.М., Шубрт Я. Деформационная и высо-
коэнергетическая деградации углеродных
нанотрубок // Наноструктур. материало-
ведение. -2009. -№ 3. -С. 47–57.
REFERENCES
1. Danilov M.O., Slobodyanyuk I.A., Rusetskii
I.A., Kolbasov G.Ya. Synthesis of Reduced
Graphene Oxide Obtained from Multiwalled
Carbon Nanotubes and Its Electrocatalytic
Properties. In: Graphene Science Handbook:
Fabrication Methods. Eds. M.Aliofkhazraei,
N.Ali, W.I.Milne, C.S.Oz-kan, S.Mitura,
J.L.Gervasoni. (London; New York: CRC
Press / Taylor & Francis 2016).. P. 205.
2. Young R.J., Kinloch I.A., Gong L.,
Novoselov K.S. The mechanics of graphene
nanocomposites: A review. Composites Sci-
ence and Technology. 2012. 72: 1459.
3. Torres D., Pinilla J.L., Moliner R., Suelves I.
On the oxidation degree of few-layer
graphene oxide sheets obtained from chemi-
cally oxidized multiwall carbon nanotubes.
Сarbon. 2015. 8: 405.
4. Tang C., Guo W., Chen C. Structural and
mechanical properties of partially unzipped
carbon na-notubes. Physical Review B. 2011.
83: 075410-1.
5. Huang B., Son Y-W., Kim G., Duan W., Ihm
J. Multiple localized states and magnetic or-
derings in partially open zigzag carbon nano-
tube superlattices: An ab initio study. J. Am.
Chem. Soc. 2009. 131: 17919.
6. Hu H., Song Y., Feng M., Zhan H. Carbon
nanomaterials for simultaneous determination
of dopamine and uric acid in the presence of
ascorbic acid: from one-dimensional to the
quasi one-dimensional. Electrochimica Acta.
2016. 190: 40.
7. Tiwary C.S., Javvaji B., Kumar C., Mahapatra
D.R., Ozden S., Ajayan P.M., Chattopadhyay
K. Chemical- free graphene by unzipping car-
bon nanotubes using cryomilling. Carbon.
2015. 89: 217.
8. Silva A.A., Pinheiro R.A., Rodrigues A.C.,
Bal-dan M.R., Trava-Airoldi V.J., Corat E.J.
Graphe-ne sheets produced by carbon
nanotubes unzip-ping and their performance
as supercapacitor. Applied Surface Science.
2018. 446: 201.
9. Danilov M.O., Rusetskii I.A., Slobodyanyuk
I.A., Dovbeshko G.I., Khyzhun O.Y., Strel-
chuk V.V., Kolbasov G.Ya. A Facile Electro-
chemical Method for Graphene Nanoplatelets
Preparation Using Multi-walled Carbon
Nanotubes. Fuel cells. 2019. 19(3): 202.
10. Long D., Li W., Qiao W., Miyawaki J., Yoon
S.-H., Mochida I., Ling L. Partially unzipped
carbon na-notubes as a superior catalyst sup-
port for PEM fuel cells. Chemical
Communications. 2011. 47: 429.
11. Chandran P., Ramaprabhu S. Catalytic per-
formance of non-platinum-based hybrid car-
bon hetero-structure for oxygen reduction
and hydrogen oxidation reactions in proton
exchange membrane fuel cell. Int. J. Hydro-
gen Energy. 2018. 43(39): 18477.
Получение частично раскрытых углеродных нанотрубок для кислородного електрода…
ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11 51
12. Alim S., Vejayan J., Yusoff M.M., Kafi
A.K.M. Recent uses of carbon nanotubes &
gold nanoparticles in electrochemistry with
application in biosensing: A review. Biosen-
sors and Bioelectronics. 2018. 121: 125.
13. Chen S., Chen Q., Cai D., Zhan H. Defect-
mediated synthesis of Pt nanoparticles uni-
formly anchored on partia lly-unzipped car-
bon nanofibers for electrochemical
biosensing. Journal of Alloys and Com-
pounds. 2017. 709: 304.
14. Xiao B., Li X., Li X., Wang B., Langford
C., Li R., Sun X. Graphene Nanoribbons De-
rived from the Unzipping of Carbon Nano-
tubes: Controlled Synthesis and Superior
Lithium Storage Performance. J. Phys. Chem.
C. 2014. 118: 881.
15. Shende R.C., Ramaprabhu S. Thermo-
optical pro-perties of partially unzipped
multiwalled carbon nanotubes dispersed
nanofluids for direct absorption solar ther-
mal energy systems. Solar Energy Materials
& Solar Cells. 2016. 157: 117.
16. Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation
of Raman spectra of disordered and amor-
phous carbon. Physical Review B. 2000. 61 :
14095.
17. Dovbeshko G., Fesenko O., Dementjev
A., Karpicz R., Fedorov V., Posudievsky
O.Yu. Coherent anti-Stokes Raman scatter-
ing enhancement of thymine adsorbed on
graphene oxide. Nanoscale Res. Lett. 2014.
9(1): 263.
18. Gerasimchuk A.I., Murafa N., Ogenko
V.M., Shubrt I. Deformation and high-energy
degradation of carbon nanotubes.
Nanostrukturnoye materialovedeniye. 2009.
3: 47.
Поступила 20.09.2019
50 ISSN 0041-6045. УКР . ХІМ . ЖУРН ., 2019, т . 85, № 11
12
|
| id | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-103 |
| institution | Ukrainian Chemistry Journal |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:03Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | ucjorgua/2b/434587a0f2192fbcaeae582c04c91a2b.pdf |
| spelling | oai:ojs2.1444248.nisspano.web.hosting-test.net:article-1032026-07-22T08:23:41Z OBTAINING PARTIALLY UNZIPPED CARBON NANOTUBES FOR OXYGEN ELECTRODES ПОЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЧНО РАСКРЫТЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА Danilov, Michail Rusetskyi , Ihor Dovbeshko, Galina Nikolenko, Andrii Fomanyuk, Sergey Kolbasov , Gennadii partially unzipped multi-walled carbon nanotubes, oxygen electrode, electrocatalysis, electrode materials. Various methods for unzipping carbon nanotubes are described, which differ only in the method of acting on multi-walled carbon nanotubes which leads to obtain a partial unzipped carbon nanotubes or the creation of a defective hybrid structure in carbon nanotubes. By electrochemical anodic oxidation in 80 % sulfuric acid of multi-walled carbon nanotubes synthesized partially unzipped nanotubes and shows the results of the study. Using the methods of X-ray phase analysis, electron microscopy, and Raman spectra, it has been established that, as a result of electrochemical anodic oxidation, partially unzipped multi-walled carbon nanotubes are obtained. Two-layer oxygen electrodes were made, where synthesized materials were used as an active layer. Studies of the electrocatalytic characteristics of oxygen electrodes from partially unzipped multi-walled carbon nanotubes were carried out in a mock up of fuel cell with alkaline electrolyte. It is established that the degree of unzipping of multi-walled carbon nanotubes depends on the time of electrochemical oxidation. It has been suggested that it is possible to control the process of synthesis of partially unzipped nanotubes. It has been established that one of the methods for estimating the degree of unzipping of multi-walled carbon nanotubes can be studies the electrochemical characteristics of oxygen electrodes based on these materials. Electrochemical investigation has established that the obtained samples of partially unzipped multi-walled carbon nanotubes are promising materials as catalysts carrier for oxygen electrodes of fuel cells. The developed method synthesis of partially unzipped multi-walled carbon nanotubes allows obtaining electrode materials for chemical current sources. Oxygen electrodes, based on such electrochemically produced materials, were stable for six months at a discharge current density of 200 mA/cm2. Partially unzipped multi-walled carbon nanotubes are promising catalyst carrier for electrodes of chemical current sources, as well as a material for hybrid nanocomposites with predetermined characteristics. V.I.Vernadsky Institute of General and Inorganic Chemistry 2019-12-16 Article Article Physical chemistry Физическая xимия Фізична xімія application/pdf https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/103 10.33609/0041-6045.85.11.2019.41-51 Ukrainian Chemistry Journal; Vol. 85 No. 11 (2019): Ukrainian Chemistry Journal; 41-51 Украинский химический журнал; ##issue.vol## 85 ##issue.no## 11 (2019): Украинский химический журнал; 41-51 Український хімічний журнал; Том 85 № 11 (2019): Український хімічний журнал; 41-51 2708-129X 2708-1281 en https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/103/67 Copyright (c) 2019 Michail Danilov, Ihor Rusetskyi , Galina Dovbeshko, Andrii Nikolenko, Sergey Fomanyuk, Gennadii Kolbasov https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0 |
| spellingShingle | Danilov, Michail Rusetskyi , Ihor Dovbeshko, Galina Nikolenko, Andrii Fomanyuk, Sergey Kolbasov , Gennadii ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА |
| title | ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА |
| title_alt | OBTAINING PARTIALLY UNZIPPED CARBON NANOTUBES FOR OXYGEN ELECTRODES ПОЛУЧЕНИЕ ЧАСТИЧНО РАСКРЫТЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСЛОРОДНОГО ЭЛЕКТРОДА |
| title_full | ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА |
| title_fullStr | ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА |
| title_full_unstemmed | ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА |
| title_short | ОТРИМАННЯ ЧАСТКОВО РОЗКРИТИХ ВУГЛЕЦЕВИХ НАНОТРУБОК ДЛЯ КИСНЕВОГО ЕЛЕКТРОДА |
| title_sort | отримання частково розкритих вуглецевих нанотрубок для кисневого електрода |
| topic_facet | partially unzipped multi-walled carbon nanotubes oxygen electrode electrocatalysis electrode materials. |
| url | https://ucj.org.ua/index.php/journal/article/view/103 |
| work_keys_str_mv | AT danilovmichail obtainingpartiallyunzippedcarbonnanotubesforoxygenelectrodes AT rusetskyiihor obtainingpartiallyunzippedcarbonnanotubesforoxygenelectrodes AT dovbeshkogalina obtainingpartiallyunzippedcarbonnanotubesforoxygenelectrodes AT nikolenkoandrii obtainingpartiallyunzippedcarbonnanotubesforoxygenelectrodes AT fomanyuksergey obtainingpartiallyunzippedcarbonnanotubesforoxygenelectrodes AT kolbasovgennadii obtainingpartiallyunzippedcarbonnanotubesforoxygenelectrodes AT danilovmichail polučeniečastičnoraskrytyhuglerodnyhnanotrubokdlâkislorodnogoélektroda AT rusetskyiihor polučeniečastičnoraskrytyhuglerodnyhnanotrubokdlâkislorodnogoélektroda AT dovbeshkogalina polučeniečastičnoraskrytyhuglerodnyhnanotrubokdlâkislorodnogoélektroda AT nikolenkoandrii polučeniečastičnoraskrytyhuglerodnyhnanotrubokdlâkislorodnogoélektroda AT fomanyuksergey polučeniečastičnoraskrytyhuglerodnyhnanotrubokdlâkislorodnogoélektroda AT kolbasovgennadii polučeniečastičnoraskrytyhuglerodnyhnanotrubokdlâkislorodnogoélektroda AT danilovmichail otrimannâčastkovorozkritihvuglecevihnanotrubokdlâkisnevogoelektroda AT rusetskyiihor otrimannâčastkovorozkritihvuglecevihnanotrubokdlâkisnevogoelektroda AT dovbeshkogalina otrimannâčastkovorozkritihvuglecevihnanotrubokdlâkisnevogoelektroda AT nikolenkoandrii otrimannâčastkovorozkritihvuglecevihnanotrubokdlâkisnevogoelektroda AT fomanyuksergey otrimannâčastkovorozkritihvuglecevihnanotrubokdlâkisnevogoelektroda AT kolbasovgennadii otrimannâčastkovorozkritihvuglecevihnanotrubokdlâkisnevogoelektroda |