Σύνθεση και χαρακτηρισμός τρισδιάστατων υβριδικών δομών γραφενίου με τροποποιημένες ίνες άνθρακα. Εφαρμογή σε ενεργειακές διατάξεις

• Κύριος συγγραφέας: Βρεττού, Κατερίνα
• Άλλοι συγγραφείς: Vrettos, Katerina
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2021
• Θέματα: Αεροπηκτώματα γραφενίου; Πορώδεις νανοδομές; Ανοδικά ηλεκτρόδια; Μπαταρίες ιόντων λιθίου; Ίνες άνθρακα; Χημική τροποποίηση; Graphene aerogels; Porous nanostructures; Anode electrode; Lithium-Ion Batteries (LIBs); Carbon fibers; Surface treatment

Η εκρηκτική ανάπτυξη των νανοδομημένων υλικών του άνθρακα, όπως το γραφένιο καθώς και τα παράγωγα και τα υβρίδια που βασίζονται σε αυτό, έχει λάβει ιδιαίτερη προσοχή τα τελευταία χρόνια σε διάφορους τομείς της τεχνολογίας. Ειδικότερα, η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα που παρουσιάζουν οι τρισδιάστατες γραφενικές δομές σε συνδυασμό με την πορώδη αρχιτεκτονική τους, καθιστούν τα υλικά αυτά μεταξύ άλλων ένα πολλά υποσχόμενο νέο είδος ηλεκτροδίου καθώς μπορούν να παρέχουν πολυδιάστατες διαδρομές μεταφοράς ηλεκτρονίων και να αυξήσουν την επαφή μεταξύ ηλεκτροδίου και ηλεκτρολύτη μειώνοντας την απόσταση τόσο για τα ιόντα όσο και για τα ηλεκτρόνια. Τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη των μπαταριών ιόντων λιθίου ως μέσω αποθήκευσης ενέργειας είναι τεράστιας σημασίας καθώς πλέον αποτελούν το πιο διαδεδομένο μέσω αποθήκευσης ενέργειας για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Όπως είναι γνωστό, η αύξηση της ειδικής χωρητικότητας σε συνδυασμό με την αύξηση του ρυθμού φόρτισης/αποφόρτισης αποτελούν το κλειδί για την βελτίωση των ιδιοτήτων των μπαταριών. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή έχει ως αντικείμενο την παρασκευή και την μελέτη υβριδικών τρισδιάστατων δομών, που προκύπτουν από παράγωγα γραφενίου με άλλες γραφενικές δομές, όπως ίνες άνθρακα με σκοπό την εφαρμογή και τη μελέτη τους ως σύστημα για ενεργειακές εφαρμογές. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η παρασκευή γραφενικών αεροπηκτωμάτων, τα οποία σχηματίστηκαν από φύλλα οξειδίου του γραφενίου διεσπαρμένα σε υδατική φάση που συνενώθηκαν με κατάλληλα μόρια ‘γέφυρες’. Τα μόρια ‘γέφυρες’ που μελετήθηκαν διέφεραν ως προς την δομή τους, ενώ αποτελούσαν μια σειρά από αρωματικές και αλειφατικές αμίνες. Η πρώτη ομάδα αμινών περιλαμβάνει τα σχετικά άκαμπτα παράγωγα ανιλίνης όπως η ορθο-φαινυλενοδιαμίνη (OPD), η παρα-φαινυλενοδιαμίνη (PPD), η 3,3-διαμινοβενζιδίνη (DAB), και η ημι-εύκαμπτη 4,4'-μεθυλενοδιανιλίνη (MDA). Η δεύτερη ομάδα των αρωματικών αμινών περιλαμβάνει την αιθυλεvoδιαμίvη (EDA), το 1,6-διαμινοεξάνιο (HDA), την τριαιθυλενοτετραμίνη (ΤΈΤΑ) και την παρα-ξυλενοδιαμίνη (PXDA). Από τις αμίνες που δοκιμάστηκαν μόνον η EDA[22] και η PPD [23] είχαν αναφερθεί στη βιβλιογραφία για την παρασκευή αεροπηκτωμάτων γραφενίου. Τα παραγόμενα υλικά χαρακτηρίστηκαν πλήρως με έναν συνδυασμό τεχνικών χαρακτηρισμού (SEM, FT-IR, XRD, Raman, TGΑ κ.α.). Στη συνέχεια τα αεροπηκτώματα που παρουσίασαν τις καλύτερες ιδιότητες ενισχύθηκαν με ίνες άνθρακα και μελετήθηκαν ως προς την σταθερότητα που παρουσίασαν αλλά και ως προς τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Για να επιτευχθεί χημική πρόσδεση των ινών με τα γραφενικά φύλλα του αεροπηκτώματος, καθώς η επιφάνεια των πρώτων είναι ομαλή, λεία και χημικά αδρανής, μελετήθηκαν τέσσερις διαφορετικές χημικές κατεργασίες με σκοπό τον εμπλουτισμό της επιφάνειας τους με λειτουργικές ομάδες. Τα παραγόμενα ενισχυμένα με ίνες αεροπηκτώματα χαρακτηρίστηκαν πλήρως με ένα συνδυασμό τεχνικών χαρακτηρισμού (SEM, FT-IR, XRD, Raman, XPS, DTA/TG κ.α.) ενώ μελετήθηκαν ως ηλεκτρόδια για ενεργειακές εφαρμογές. Για την περαιτέρω ενίσχυση της ηλεκτροχημικής απόδοσης των ηλεκτροδίων και την αύξηση των θέσεων αποθήκευσης, τα υβριδικά αεροπηκτώματα που παρασκευάστηκαν εμπλουτίστηκαν με ιόντα θείου. Τα τελικά προϊόντα χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια σε μπαταρίες ιόντων λιθίου παρουσιάζοντας αυξημένη χωρητικότητα, σε υψηλούς ρυθμούς, συγκριτικά με τον απλό εμπορικό γραφίτη και εξαιρετική σταθερότητα κατά την διάρκεια 200 κύκλων αποφόρτισης- φόρτισης. Ως ηλεκτρόδιο αναφοράς χρησιμοποιήθηκε αεροπήκτωμα γραφενίου εμποτισμένο με ιόντα θείου χωρίς ίνες άνθρακα προκειμένου να τονιστεί η συνεισφορά τους. Το αυξημένο πορώδες των αεροπηκτωμάτων ενισχύει την επιφάνεια επαφής ηλεκτροδίου-ηλεκτρολύτη ευνοώντας την μεταφορά των ιόντων λιθίου. Παρόλα αυτά το ενισχυμένο με τροποποιημένες ίνες άνθρακα (υβριδικό) αεροπήκτωμα δίνει υψηλότερη χωρητικότητα από το μη ενισχυμένο, ύστερα από τους πρώτους 20 κύκλους υποδεικνύοντας ότι το ενισχυμένο αεροπήκτωμα παρουσιάζει καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα .