Електрохімічні конденсатори на основі електропровідних полімерів

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню електрохімічної поведінки електропровідних полімерів, обробка результатів, участь у трактуванні результатів та написанні статті.

2. Вплив одноатомних однозарядних іонів на фізико-хімічні властивості поліаніліну / Каташинський А.С., Лихницький К.В., Барсуков В.З., Хоменко В.Г. // Вісник національного технічного університету «ХПІ». - 2009. - № 46. - С. 114-123.

Здобувачем виконаний синтез електропровідних полімерів та проведені електрохімічні дослідження отриманих матеріалів

3. Лихницкий К.В. Разработка неплатиновых катализаторов для электровосстановления кислорода / Лихницкий К.В., Хоменко В.Г., Барсуков В.З. // Вісник національного технічного університету «ХПІ». - 2008. - № 15. - С. 69-74.

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню каталітичної активності електропровідних полімерів щодо електровідновлення кисню, обробка результатів, участь у трактуванні результатів та написанні статті.

4. Барсуков В.З. Квантово-химический анализ влияния процесса допирования на электронное строение проводящих полимеров типа полианилина / Барсуков В.З., Каташинский А.С., Хоменко В.Г. // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну.- 2006.- № 4. - С. 44-50.

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню впливу природи допанту електропровідних полімерів на їх фізико-хімічні характеристики, участь у трактуванні результатів та написанні статті.

5. Хоменко В.Г. Формирование надмолекулярной структуры полианилина в процессе синтеза полианилина / Хоменко В.Г. Твердохлеб В.С., Барсуков В.З. // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. - 2003. - №1. - С. 203-206.

Здобувачем виконаний синтез матеріалів на основі поліаніліну та проведені фізико-хімічні дослідження отриманих матеріалів.

6. Хоменко В.Г. Электрохимические основы разработки суперконденсаторов с электродами на основе электронно-проводящих полимеров / Хоменко В.Г. // Научно-технический журнал “Вопросы химии и химической технологии”.- 2003. - №2. - С. 134-136.

7. Хоменко В. Г. Воздушно-цинковые источники тока с катализатором на основе полианилина/ Хоменко В. Г., Чивиков С. В., Барсуков В.З. // Научно-технический журнал “Вопросы химии и химической технологии”. - 2000. - №1. - С. 247-249.

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню каталітичної активності поліаніліну та характеристик ХДС, обробка результатів, участь у трактуванні результатів та написанні статті.

8. Барсуков В.З. Проводящие полимеры типа полианилина: механизм и теоретические модели процесссов, перспективы практического применения / Барсуков В.З., Чивиков С. В., Хоменко В. Г. // Научно-технический журнал “Вопросы химии и химической технологии”.- 1999. - №1.- С. 38-40.

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню електрохімічних властивостей поліаніліну участь у написанні статті.

9. Development of supercapacitors based on conducting polymers / V. Khomenko, E. Frackowiak, V. Barsukov, F. Bйguin // New Carbon Based Materials for Electrochemical Energy Storage Systems, [NATO Science Series: Mathematics, Physics and Chemistry].- The Netherlands: Springer, 2006. - V. 229. - Р. 41-50.

Здобувачу належить проведення досліджень електрохімічної поведінки електропровідних полімерів, визначення характеристики електрохімічних конденсаторів на основі ЕПП, участь у трактуванні результатів та написанні статті.

10. Khomenko V. Determination of the specific capacitance of conducting polymer/nanotubes composite electrodes using different cell configurations / V. Khomenko, E. Frackowiak, F. Beguin // Electrochimica Acta.- 2005.- V. 50.- P. 2499-2506.

Здобувачу належить одержання композитів ЕПП з вуглецевими нанотрубками та проведення досліджень по визначенню їх електрохімічних характеристик, обробка результатів і участь у їх трактуванні та написанні статті.

11. Khomenko V. The catalytic activity of conducting polymers toward oxygen reduction / V.G. Khomenko, V.Z. Barsukov, A.S. Katashinskii // Electrochimica Acta. - 2005. - V. 50, № 15. - P. 1675-1683.

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню каталітичної активності ЕПП щодо електровідновлення кисню, обробка результатів та участь у їх трактуванні і написанні статті.

12. On the faradaic and non-faradaic mechanisms of electrochemical processes in conducting polymers and some other reversible systems with solid-phase reagents/ V.Z. Barsukov, V.G. Khomenko, S.V. Chivikov, I.V. Barsukov, T.I. Motronyuk // Electrochimica Acta. - 2001. - V.46. - P. 4083-4089.

Здобувачу належить проведення досліджень по визначенню електрохімічної поведінки ЕПП, обробка результатів та участь у їх трактуванні і написанні статті.

13. Патент України на корисну модель № 56888, МПК С О1В 31/00. Спосіб хімічної очистки графіту / Барсуков В.З., Лисін В.І., Лихницький К.В., Хоменко В.Г., Скрипник Ю.О., Волков О. І., Твердохліб В.С., заявник і патентовласник Київський національний університет технології та дизайну. - № u2010 09773; заявл. 05.08.2010; опубл. 25.01.2011, Бюл. № 2.

Здобувачем вивчено електричні властивості отриманих матеріалів.

14. Пат. US 2010/0141044A1 США, МКИ 307/109; 361/502; 427/80. Electrochemical capacitor with two carbon electrodes having different characteristics in an aqueous medium / F. Beguin, V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero.- Опубл. 10. 07.2010.

Здобувачу належить проведення досліджень електрохімічної поведінки вуглецевих матеріалів та запропонований науковий підхід побудови нового типу асиметричного конденсатора.

15. Пат. WO/2008/071888 Франція, МКИ H01G 9/058 (2006.01) . Un condensateir electrochimique avec deux electrodes en carbone de nature diferente en milieu aqueux / F. Beguin, V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero. - Опубл. 19.06.2008

Здобувачу належить проведення досліджень електрохімічної поведінки вуглецевих матеріалів та запропонований науковий підхід побудови нового типу асиметричного СК.

16. Barsukov V. Using In-situ Electrochemical and Modeling Methods for Theoretical Description of Film Polyaniline Electrode / V. Barsukov, S. Chivikov, V. Khomenko // Abstract of 51st Annual ISE Meeting, (Warsaw, Poland, 3-8 September 2000) / International Society of Electrochemistry.- Warsaw, 2000.- P.S.1-714 (CD).

17. Description of Charging/Discharging Processes in Polyaniline Based on In-situ Experimental and Modeling Methods / V. Khomenko, S. Chivikov, V. Barsukov and T. Motronyuk // Extended Abstracts of NATO Advanced Research Workshop on Electrochemistry of Electroactive Polymer Films [WEEPF-2000], (Poraj near Czestochowa, Poland, 9-14 September 2000) / University of Bourgogne Dijon, Department of chemistry University of Warsaw, Technical University of Czestochowa and Electrochemical Section of Polish Chemical Society.- Poraj, 2000.- P. 14.

18. Quatium-chemical Model of the Catalytic Activity of Polyaniline Toward Reaction of Oxygen Reduction / V. Khomenko, T. Motronyuk, A. Katashinskii, V. Barsukov // Abstracts of 53rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry [“Electrochemistry in Molecular and Microscopic Dimensions”], (Dusseldorf, Germany, 15-20 September 2002) / International Society of Electrochemistry jointly organized with GDCh-Fachgruppe Angewandte Elektrochemie. - Dusseldorf, 2002. - P. 40.

19. New nanocomposite materials for supercapacitors / V. Khomenko, K. Jurewicz, E. Frackowiak, K. Szostak, S. Delpeux, F. Beguin // Abstracts of 53rd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry [“Electrochemistry in Molecular and Microscopic Dimensions”], (Dusseldorf, Germany, 15-20 September 2002) / International Society of Electrochemistry jointly organized with GDCh-Fachgruppe Angewandte Elektrochemie. - Dusseldorf, 2002. - P.284.

20. Khomenko V. Development of supercapacitors based on conducting polymers / V. Khomenko, V. Barsukov, E. Frackowiak, F. Bйguin // Program and Abstracts of Carbon Advanced Recsearch Workshop and Conference [NATO-CARWC, “New Carbon Based Materials for Electrochemical Energy Storage Systems”], (Chicago, USA, 19-24 October 2003) / Argonne National Laboratory. - Chicago, 2003. - P.17.

21. Properties of conducting polymer/carbon nanotubes composites in supercapacitors / E. Frackowiak, V. Khomenko, K. Szostak, K. Lota, F. Beguin // Program of An International Conference on Carbon, [CARBON'03], (Oviedo, Spain, 6-10 July 2003) / Spanish Carbon Group.- Oviedo, 2003.- P. 212.

22. Microstructure and Morphology of Polyaniline Films Depending on Substrate Structure / V. Khomenko, V. Tverdohleb, M. Jaskula, V. Barsukov // Abstracts of International Workshop on Electrochemistry of Electroactive Materials [WEEM-2003], (Bad Herrenalb, Germany, 22-27 July 2003) / International Society of Electrochemistry.- Bad Herrenalb, 2003. - P. 11.

23. Khomenko V. The essential role of activated carbon allowing asymmetric capacitors to operate at 2V in aqueous medium/ V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin // Program and Short abstract of An International Conference on Carbon at Brown University [CARBON-2004], (Providence, Rhode Island, USA, 11-16 July 2004) / The American Carbon Society and Brown University.- Providence, 2004.-P. 73.

24. Development of asymmetric supercapacitors based on conducting polymer and amorphous manganese oxide composites / V. Khomenko, V. Barsukov, E. Frackowiak and F. Beguin // Book of Abstracts II of 55th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, (Thessaloniki, Greece, 19-24 September 2004) / International Society of Electrochemistry.- Thessaloniki, 2004.- P. 189.

25. Khomenko V. The coins prototypes of air/polyaniline-Zn batteries and Supercapacitors / V. Khomenko, M. Jaskula, V. Barsukov // Book of Abstracts of International Workshop on Electrochemistry of Electroactive Materials, (Repino, Saint-Petersburg Region, Russia, 22-29 June 2006)/ International Society of Electrochemistry.- Repino, 2006.- P.37.

26. Barsukov V. Modeling of the adsorption complexes of the conducting polumer with oxygen/ V.Barsukov, V. Khomenko, K. Katashinskii // Program and Book of Abstracts of Baltic Polymer Symposium [BPS-2007], (Druskininkai, Lithuania, 19-21 September 2007)/ Vilnius University and Kaunas University of Techology.- Druskininkai, 2007. - P. 33.

27. Barsukov V. Nanostructured Non-noble Catalyts for Oxygen Electrodes / V. Barsukov, V. Khomenko, K. Lykhytsky // Abstracts of International Conference on Materials for Advanced Technologies 2009 and International Union of Materials Research Societies- International Conference in Asia 2009, (Singapure, 28 June- 3 July 2009) / Materials Research Societies. - Singapure, 2009.- P. 14.

28. Barsukov V. Composite polymer catalysts for air-metal batteries and fuel cells / V. Barsukov, V. Khomenko, K. Lykhnytsky // Program and Proceedings of Baltic Polymer Symposium [BPS-2009], (Ventspils, Latvia, 22-25 September 2009) / Riga Technical University.- Ventspils, 2009. - P.7.

29. An influence of the Monovalent Dopants on the Electronic Structure and Properties of Polyaniline /

A. Katashinskii, V. Barsukov, K. Lykhnytsky, V. Khomenko // Book of Abstracts of International workshop on electroactive materials [WEEM 2009], (Szczyrk, Poland, 14-19 July 2009) / International Society of Electrochemistry and Warszawski Universytet. - Szczyrk, 2009.- P.64.

30. Synthesis and characterization of non-noble electrocatalysts for the oxygen reduction reaction / V. Khomenko, К. Lykhnytskyi, V. Barsukov, L. Yatsuk // Programme and Abstracts Book of International Symposium devoted to the 80th anniversary of Academician O.O. Chuiko [“Moden problems of Surface Chemistry and Physics”], (Kyiv, 18-21 May 2010) / National Academy of Sciences of Ukraine, Branch of Chemistry, Chuiko Institute of Surface Chemistry, Scientific Board on the Problem of “Chemistry and Technology”, Association “Carbon” in Ukraine and Mendeleev Chemical Society of Ukraine.- Kyiv, 2010.- P. 384-385.

31. Quantum-Chemical Grounds for Electronic Conductivity of Doped Polyaniline / V. Barsukov, A. Katashinskii, K. Lykhnytsky, V. Khomenko // Abstract of The 61st Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, (Nice, France, 26 September -1 October 2010) / International Society of Electrochemistry.- Nice, 2010.- On CD.

АНОТАЦІЇ

Хоменко В.Г. Електрохімічні конденсатори на основі електропровідних полімерів.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.03 - технічна електрохімія.- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут ”, Київ, 2011.

Дисертація присвячена розробці електрохімічних конденсаторів на основі електропровідних полімерів.

У роботі приділена увага вивченню впливу різних чинників на полімеризацію електропровідних полімерів (ЕПП) і на їх морфологічну структуру, розглянута структура композитів на основі ЕПП і їх структурна організація, від якої залежать фізико-хімічні властивості матеріалів. Показано, що структура субстрату є вирішальна у формуванні надмолекулярних структур ЕПП.

У роботі вивчена електрохімічна поведінка електродів на основі електропровідних полімерів і визначені фактори, що впливають на стабільність і електрохімічні характеристики. Запропонована модель електрода на основі ЕПП, яка дозволяє кількісно описати електрохімічну поведінку ЕПП. Уперше теоретично обґрунтовані і практично реалізовані симетричні і асиметричні електрохімічні конденсатори на основі ЕПП. За діапазоном робочої напруги, питомими характеристиками, стабільністю і терміном служби розроблені електрохімічні конденсатори відповідають кращим зарубіжним аналогам.

Ключові слова: електрохімічний конденсатор, суперконденсатор, електропровідні полімери, поліанілін, поліпірол, політіофен, полі-3-метилтіофен, полі-3,4-етилендіокситіофен, активоване вугілля, діоксид мангану, терморозширений графіт, вуглецеві нанотрубки, композитні матеріали.

Khomenko V.G. Electrochemical capacitors based on the conducting polymers - Manuscript.

The thesis for the Degree of Candidate of Technical Sciences. Specialty: 05.17.03 - technical electrochemistry. - National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnical Institute”, Kiev, 2011.

The thesis is dedicated to the development of electrochemical capacitors based on some conducting polymers. In the present work has been paid attention to investigations of different factors of polymerization of conducting polymers and their composites with carbon materials. It was shown that morphological structure of conducting polymers and their physical-chemical properties are depends strongly on the nature of carbon materials used as substrate and conductive additive for composites.

The complex analysis of electrochemical properties of conducting polymers was carried out. There was proposed a model for conducting polymer based electrode. The highest specific capacity (over 500 F/g) of conducting polymer agrees well with proposed model.

For the first time theoretically proved and practically realized some symmetric and asymmetric electrochemical capacitors based on conducting polymers, activated carbon and/or amorphous manganese oxide. Assembling above-mentioned materials in asymmetric capacitor results in a practical cell voltage up to 1.8V in aqueous medium, with energy densities close to the values obtained with electric double layer capacitors working in organic electrolytes, while avoiding their disadvantages.

Keywords: Electrochemical capacitor, supercapacitor, conducting polymer, polyaniline, polypyrrole, polythiophene, poly-3-methylthiophene, poly-(3,4-ethylenedioxythiophene), activated carbon, manganese oxide, thermally expanded graphite, carbon nanotubes, composite materials.

Хоменко В.Г. Электрохимические конденсаторы на основе электропроводящих полимеров.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.03 - техническая электрохимия.- Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт ”, Киев, 2011.

Диссертация посвящена разработке электрохимических конденсаторов на основе электронно-проводящих полимеров (ЭПП) с использованием водного электролита.

В работе изучено электрохимическое поведение электродов на основе ЭПП и определены факторы, которые влияют на их стабильность и электрохимические характеристики. Предложена модель электрода на основе ЭПП, которая позволяет количественно описать электрохимическое поведение ЭПП. Модель ЭПП на молекулярном уровне может быть построена на основе системы параллельно-последовательного соединения микроэлектродов, каждый из которых формирует собственный двойной электрический слой. На основе теоретических расчетов установлено, что общая удельная поверхность такого ЭПП электрода может составлять ~ 6000 м2/г, что обусловливает аномально высокие значения удельной емкости ЭПП (более 500 Ф/г).

В работе уделено внимание изучению условий синтеза ЭПП и влиянию структуры углеродных материалов на физико-химические свойства полианилина (ПАН), полипиррола (ПП), политиофена (ПТ), поли-3-метилтиофена (ПМеТ) и поли-3,4-этилендиокситиофена (ПЭДОТ). Проанализировано влияние разных факторов на полимеризацию ЭПП и на их морфологическую структуру, рассмотрена структура композитов на основе ЭПП и их структурная организация, от которой зависят физико-химические свойства материалов. Показано, что структура углеродного материала является решающим фактором в формировании надмолекулярных структур ЭПП. Установлено, что ЭПП композиты на основе терморасширенного графита и углеродных нанотрубок имеют наилучшие физико-химические характеристики и электропроводность при оптимальном содержании в композите терморасширеного графита 15-20 %, а в случае использования углеродных нанотрубок - при содержании 10-15 %.

Систематические исследования электрохимических процессов на ЭПП электродах в макетах электрохимических конденсаторов показали, что падение емкости суперконденсатора (СК) с двумя одинаковыми ЭПП электродами обусловлено поведением отрицательного электрода. Именно в отрицательном электроде происходит постепенное накопление практически неэлектропроводной фазы ЭПП при циклировании, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления СК. Поэтому реализовать стабильные и энергоемкие СК на основе ЭПП можно исключительно в ассиметричных системах, в которых используются разные по природе активные материалы для положительного и отрицательного электродов. С этой целью нами проведены исследования электродов на основе активированного углерода. Предложены методы модифицирования активированного угля и конкретизирован диапазон потенциалов, в котором электрод может обратимо циклироваться при построении асимметричного СК. Разработаны прототипы стабильных асимметричных СК, в которых ЭПП используется в качестве активного материала положительного электрода, а модифицированный кислородосодержащими функциональными группами активированный углерод с удельной емкостью ~ 600 Ф/г - для отрицательного электрода. Удельная энергия лабораторных прототипов таких асимметричных СК составила 11-31 Вт·час/кг (без учета массы корпуса) в зависимости от типа ЕПП и электролита.

С целью разработки энергоемких асимметричных СК проведен также синтез и исследования электрохимических свойств аморфного диоксида марганца. Впервые созданы малогабаритные асимметричные СК на основе аморфного диоксида марганца и ЭПП с удельной энергией 9 Вт•час/дм3. На основе проведенных исследований установлено, что с учетом перенапряжения максимальное рабочее напряжение данного СК может составлять 1.8 В в водном растворе на основе KNO3.

Созданы малогабаритные герметичные экспериментальные образцы стабильных и энергоемких асимметричных СК емкостью до 15 Ф, которые по комплексу основных технических характеристик превышают коммерческие СК аналогичной емкости.

Ключевые слова: электрохимический конденсатор, суперконденсатор, электронно-проводящие полимеры, полианилин, полиппирол, политиофен, поли-3-метилтиофен, поли-3,4-этилендиокситиофен, активированный углерод, диоксид марганца, терморасширенный графит, углеродные нанотрубки, композитные материалы.

Размещено на Allbest.ru