Ультразвукова модифікація низькорозмірних пористих та шаруватих структур і їхніх інтеркалатів для пристроїв накопичення енергії

Abstract

Розглядаються матеріали, придатні до високоємного накопичення енергії в сучасних пристроях, альтернативних до традиційних. Серед них: вугільні матеріали (на основі деревини, абрикосових кісточок, лляних волокон), природні мінерали (тальк та пірофіліт), шаруватий напівпровідник GaSe та сотова структура МСМ-41, інтеркальований та інкапсульована сегнетоелектричним рідким кристалом (РК), відповідно. Встановлено, що ультразвукове опромінення є ефективним засобом цілеспрямованого модифікування низки характеристик цих матеріалів. Комплексні дослідження (комп’ютерне моделювання, теоретичний аналіз процесів на основі класичних та квантових підходів, термодинамічний аналіз за методом ЕРС, імпедансна спектроскопія, метод малокутового рентгенівського розсіювання, комбінаційного розсіювання світла, циклічна вольтамперометрія) виявили істотне зростання питомої ємності суперконденсаторів на основі вугільних матеріалів; зміну фазового складу інтеркальованих пірофіліту та тальку, енергетичного спектру електронів; досягнення аномально високого значення коефіцієнта дифузії; підвищення потужнісних характеристик первинних джерел живлення під дією ультразвуку. Його дія спричиняє надвисокі значення діелектричної проникності при низькому значенні тангенса кута втрат в наногібридах GaSe(РК) та МСМ-41(РК). Встановлено механізми, відповідальні за ефекти ультразвукового модифікування та інтеркаляції. Рассматриваются материалы, пригодные к высокоемкому накоплению энергии в современных устройствах, альтернативных традиционным. Среди них: угольные материалы (на основе древесины, абрикосовых косточек, льняных волокон), природные минералы (тальк и пирофиллит), слоистый полупроводник GaSe и сотовая структура МСМ-41, интеркалированный и инкапсулированная сегнетоэлектрическим жидким кристаллом (ЖК), соответственно. Установлено, что ультразвуковое облучение является эффективным средством целенаправленной модификации ряда характеристик этих материалов. Комплексные исследования (компьютерное моделирование, теоретический анализ процессов на основе классических и квантовых подходов, термодинамический анализ, импедансная спектроскопия, метод малоуглового рентгеновского рассеяния, комбинационного рассеяния света, циклическая вольтамперометрия) обнаружили существенный рост удельной емкости суперконденсаторов на основе угольных материалов; изменение фазового состава интеркалированного пирофиллита и талька, энергетического спектра электронов; достижение аномально высокого значения коэффициента диффузии; повышение мощностной характеристики первичных источников питания под действием ультразвука. Его действие вызывает сверхвысокие значения диэлектрической проницаемости при низком значении тангенса угла потерь в наногибридах GaSe<ЖК> и МСМ-41<ЖК>. Установлены механизмы, ответственные за эффекты ультразвуковой модификации и интеркаляции. Materials, alternative to traditional ones, suitable for high-capacity energy storage in modern devices were considered. Carbon materials (based on wood, fruit seeds and flax fibers), natural minerals (talc and pyrophyllite), layered semiconductor of GaSe, intercalated by the ferroelectric liquid crystal (LC), and cellular structure MCM-41, encapsulated by LC, belong to them. Technology of the ultrasonic treatment was detected to be an effective way of purposeful modification of these materials. Complex studies such as computer simulation, micro- and macroscopic theoretical analysis, thermodynamic analysis, based on electromotive force method, impedance spectroscopy, small-angle X-ray scattering method, Raman scattering, cyclic voltammetry were used in the work. They discovered: 1) changes in the phase composition of intercalated pyrophyllite and talc and in electron spectrum; 2) anomalous high value of the diffusion coefficient; 3) the power characteristics increase in the primary power sources under ultrasonic influence. It causes extremely high value of the dielectric permeability at low loss tangent in GaSe<LC> and MCM-41<LC> nanohibrydes. It was found that the significant increase in capacitance of supercapacitors on the carbon materials base caused by both the ultrasonic crush influence and changes in porosity and a shift of Fermi level position. On basis of classical and quantum-mechanical models the theoretical studies of the described effects, initiated by the ultrasonic treatment, were presented.