авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка нанокомпозитных электродов для источников тока в электронике

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ГАВРИН СТАНИСЛАВ СТАНИСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА НАНОКОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ

ДЛЯ ИСТОЧНИКОВ ТОКА В ЭЛЕКТРОНИКЕ

Специальность 02.00.05 – электрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010 г.

Работа выполнена в научно-образовательном центре «Нанотехнологии» (НОЦ «Нанотехнологии») Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент

Яштулов Николай Андреевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Астахов Михаил Васильевич

доктор технических наук, профессор,

Дмитриев Александр Сергеевич

Ведущая организация Владимирский Государственный Университет

им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

Защита состоится «25» ноября 2010 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.17, аудитория Г-406.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).

Автореферат разослан « » октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.10

к.т.н., доцент Степанова Т.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Благодаря бурному развитию микро- и наноэлектроники, электронной и вычислительной техники масштабы производства традиционных источников тока постоянно увеличиваются, хотя перспективы их улучшения технически ограничены. В этой связи наблюдается стремительный рост спроса на химические источники тока с высокими техническими характеристиками, основными из которых являются экологическая чистота, высокие удельные энергетические характеристики, стабильное напряжение разряда, оптимальные массогабаритные показатели, относительно низкая стоимость.

Проблема поиска альтернативных источников энергии стала особенно актуальной в связи с успехами нанотехнологии и электрохимии и появлением таких новых средств, как нанотрубки, наномембраны, нанопористые подложки. Их использование, по мнению специалистов, может явиться основой нового поколения изделий, отвечающих потребностям рынка нано- и микросистемной техники.

В настоящее время наиболее перспективными источниками тока для электронной аппаратуры являются микромощные картриджные водородно-воздушные топливные элементы, совместимые с кремниевыми микрочипами. Прежде всего, они нужны для военной и космической техники, медицины и биологии, транспортной и промышленной электроники, мобильных устройств.

Принципиальное улучшение характеристик и устранение определенных недостатков источников тока предлагается осуществить использованием новейших достижений нанотехнологии с применением углеродных нанотрубок (УНТ), нанокатализаторов и пористого кремния (ПК). Данные материалы представляют особый интерес благодаря ряду свойств, обуславливающих более высокую эффективность источников тока наряду с меньшим содержанием дорогостоящих катализаторов, а также возможность миниатюризации и интеграции источников тока на одном кристалле с электронными компонентами.



Работа выполнена в рамках проектов Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 06-08-00496, № 06-08-01084, № 09-08-00547 и № 09-08-00758.

Цель настоящей работы заключалась в разработке научно-технических основ создания высокоэффективных нанокомпозитных электродов для низкотемпературных водородно-воздушных топливных элементов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния. Достижение указанной цели осуществлено путем разработки методики модифицирования пористого кремния наночастицами металлов с каталитическими свойствами и оптимизации структурных и электрохимических параметров полученных катодов и анодов.

В работе предстояло решить ряд научно-технических задач:

  • Предложить метод синтеза наноструктурированного пористого кремния с контролируемыми параметрами и метод синтеза стабильных растворов наночастиц металлов с каталитическими свойствами.
  • Разработать метод изготовления высокоэффективных электродов на основе пористого кремния.
  • Исследовать физико-химические свойства каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния и установить их влияние на электрохимические характеристики анодов и катодов для топливных элементов.
  • Установить оптимальные параметры пористого кремния и модифицирующих растворов для создания наиболее эффективных каталитически активных электродов.

На защиту выносятся:

1. Физико-химические свойства каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния с наноразмерными частицами платины и палладия.

2. Метод изготовления высокоэффективных электродов на основе пористого кремния.

3. Экспериментальные электрохимические характеристики анодов и катодов для топливных элементов.

4. Влияние типа проводимости и степени пористости пористого кремния, состава и параметров изготовления нанокомпозитных электродов на их каталитическую активность.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые было проведено модифицирование пористого кремния обратно-мицеллярными растворами с наночастицами палладия и платины и комплексно исследовано формирование каталитических центров платины и палладия на пористом кремнии разного типа проводимости и пористости.

Установлена корреляция между физико-химическими свойствами каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния, их составом, структурой и условиями изготовления.

Впервые определено влияние структуры каталитически активных электродов на основе матрицы наноструктурированного пористого кремния на их энергетические параметры.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

Разработан метод изготовления каталитически активных электродов для источников тока в микро- и наноэлектронике, позволяющий снизить содержание дорогостоящих катализаторов в электродах на базе пористого кремния при сохранении высокой эффективности их работы.

Показаны преимущества разработанного метода изготовления каталитически активных электродов на базе пористого кремния перед методом пропитки в обратно-мицеллярных растворах с наночастицами катализаторов.

Установлены оптимальные параметры пористого кремния и модифицирующих растворов платины, при которых достигается наибольшая эффективность работы композитных электродов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на: Тринадцатой международной конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2007 г., Москва, МЭИ(ТУ)); Одиннадцатом международном семинаре-ярмарке «Российские технологии для индустрии» (2007 г., С.-Пб.); Четырнадцатой международной конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2008 г., Москва, МЭИ(ТУ)); Первом международном форуме по нанотехнологиям «Функциональные материалы для энергетики» - Rusnanotech 2008 (2008 г., Москва); Международном научно-техническом семинаре «Водородная энергетика как альтернативный источник энергии» (2009 г., Москва); Седьмой международной конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (2009 г., С.-Пб.); Тринадцатой международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» с элементами научной школы для молодежи «Инновации в химии: достижения и перспективы» (2010 г., Суздаль); Международный семинар «Электрокатализ в водородной энергетике» (2010 г., Трондхейм, Норвегия).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, четыре главы, выводы, список цитируемой литературы. Общий объем составляет 143 страницы, включая 37 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 204 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава состоит из двух разделов. В первом разделе проведен анализ разработок водородно-воздушных топливных элементов, рассмотрены их достоинства и недостатки, а также приведен обзор по водородно-воздушным топливным элементам с использованием ПК. Второй раздел посвящен рассмотрению основных свойств ПК, представлены методы синтеза, механизмы порообразования и электрические свойства.

Во второй главе описаны экспериментальные методики исследования физико-химических свойств наночастиц металлов в обратно-мицеллярных растворах, ПК и нанокомпозитов на его основе. Описан метод абсорбционной спектрофотометрии и лазерного динамического рассеяния для исследования свойств металлических частиц в растворах и изучения их адсорбционной способности по отношению к различным носителям. Для диагностики полученных образцов ПК и композитов на его основе применяли методы атомно-силовой микроскопии, рентгенофазового анализа, рентгенофотоэлектронной спектроскопии, растровой электронной микроскопии. Электрохимические характеристики полученных электродов на базе ПК изучали методом циклической вольтамперометрии. Приведено описание приборов, материалов и реактивов, использованных в работе.

В третьей главе описана предложенная автором методика получения ПК и обратно-мицеллярных растворов, содержащих наночастицы металлов, а также изложена разработанная методика изготовления каталитически активных электродов на основе ПК.

Основываясь на анализе литературных данных, для изготовления наноструктурированных электродов была поставлена задача получения мезопористого кремния разной степени пористости на базе подложек кремния n- и p-типа. Известно, что у катализаторов размером менее 1,5 нм наблюдается снижение активности за счет снижения координационного числа, а с ростом размеров снижается удельная поверхность катализатора, и, следовательно, активность. Поэтому, по размерным параметрам именно мезопористый кремний, имеющий средний размер пор от 2 до 50 нм, является наиболее подходящим для стабилизации наночастиц в пористой матрице.

Для получения ПК была выбрана методика электрохимического анодирования монокристаллических подложек кремния в растворах плавиковой кислоты (HF). Анодирование проводили без дополнительной подсветки образцов с целью получения мезопористой структуры ПК (см. рис.1). При концентрации HF в электролите от 10 до 30 % можно получать слои мезопористого кремния толщиной от единиц микрометров до 200 микрометров с пористостью (П) от 30 до 85%. Применяется гальваностатический режим анодирования при плотностях анодного тока 20-100 мА/см2. В работе использовали раствор HF с деионизованной водой и изопропиловым спиртом (IP) в соотношении HF:H2O:IP = 1:3:1. Изопропанол делает поверхность ПК гидрофильной, что позволяет проникать электролиту ко дну растущих пор.

 РЭМ-изображение поверхности-1

Рис.1. РЭМ-изображение поверхности пластины мезопористого кремния n-типа (слева) и скола пластины (справа).

Таким образом, были синтезированы образцы ПК со степенями пористости 40%, 61%, 78% (n-тип) и 51%, 64%, 76% (p-тип) на базе пластин монокристаллического кремния марок КЭС-0,01 (100) и КДБ-0,01 (100). Пористый слой имел древовидную морфологию с макрокристаллическим остовом при глубине пор 1 мкм и среднем диаметре пор для n-типа 20-50 нм, для p-типа 5-20 нм.

Обратно-мицеллярные растворы с наночастицами палладия и платины были синтезированы в лаборатории нанокомпозитных материалов ООО «Ланаком» (г. Москва) методом радиационно-химического восстановления ионов металлов в анаэробных условиях. Обратные мицеллы представляют собой микрокапли водного раствора – пулы, стабилизированные поверхностно-активным веществом (ПАВ) в органическом растворителе. Наночастицы металла образуются в пуле мицеллы при -облучении 60Co. Варьируя условия синтеза (дозу облучения и концентрации реагентов), можно управлять размерами формирующихся частиц.

Для формирования обратных мицелл применяли 0,15 М раствор ПАВ – бис(2-этилгексил) сульфосукцинат натрия (АОТ) (99%, Sigma) в изооктане. Мольное отношение вода/ПАВ в наших экспериментах было равно 1,5; 3,0 и 5,0 и характеризовалось коэффициентом солюбилизации 0. Для получения наночастиц палладия использовали соль дихлорида тетроамминопалладия (II), для получения наночастиц платины - гексахлорплатиновую кислоту. Полученную суспензию сначала солюбилизировали, используя ультразвуковую установку УЗДН-2Т, затем приготовленный раствор насыщали инертным газом для удаления кислорода и подвергали воздействию гамма излучения 60Со на установке РХМ--20. Оптимальная доза облучения для растворов платины и палладия была равна 10 кГр. Наночастицы металлов, полученные в обратно-мицеллярных растворах в анаэробных условиях, после вскрытия ампул могут храниться в растворах в присутствии кислорода воздуха в течение длительного времени, что было подтверждено спектрофотометрией.

Начальный этап разработки методики модифицирования ПК наночастицами катализаторов заключался в исследовании свойств композитов, полученных пропиткой полученных образцов кремния в синтезированных растворах. Образцы исходных подложек кремния выдерживали в модифицирующих растворах, затем отмывали от ПАВ и растворителя и сушили при комнатной температуре. С помощью спектрофотометрии было установлено, что при отмывке образцов дистиллированной водой в течение 15-20 минут с поверхности композита удаляется не более 10% наночастиц. Для полного удаления ПАВ применялся отжиг при 4500 С в течение 3 часов. По данным атомно-силовой микроскопии (АСМ), после такой обработки ПАВ полностью удаляется с поверхности (см. рис.2).

А В






Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.