Контрольная работа на тему Основные свойства нитридов тугоплавких металлов, области применения, в том числе в РКТ

Содержание:

Введение. 3

1. Историческая справка. 4

2. Физические и
химические свойства соединений. 7

3. Методы получений. 16

3.2 Нитриды титана (TiN) 16

3.3. Нитриды
вольфрама. 19

3.4. Нитриды
молибдена. 20

3.5. Нитриды
ванадия (VNs) 20

4. Области применения. 22

4.1. Литий-ионные
аккумуляторы.. 22

4.2. Натрий-ионные
батареи. 23

4.3. Суперконденсаторы (СК) 25

Заключение. 27

Список
используемых источников. 34

Введение:

Высококачественные
электродные материалы являются ключом к прогрессу в области преобразования и
хранения энергии (например, топливных элементов и батарей). В этом обзоре
резюмируется недавний прогресс в синтезе и электрохимическом применении карбидов
тугоплавких металлов (КТМ) и нитридов (НТМ) для хранения и преобразования
энергии. Их электрохимические свойства в литий-ионных и Na-ионных
батареях, а также в суперконденсаторах, а также электрокаталитические реакции
(реакции выделения и восстановления кислорода и реакции выделения водорода)
обсуждаются в связи с их кристаллической структурой / морфологией /
составом. Выделены преимущества и преимущества наноструктурирования

Заключение:

Несомненно, технологии и материалы для накопления и
преобразования энергии являются предметом текущих исследований и,
следовательно, стимулировали широкий интерес к разработке и совершенствованию
более эффективных электродных материалов. Одно из таких устройств,
топливный элемент, в сочетании с фотоэлектрохимическим солнечным
водоразделением позволяет нам эффективно вырабатывать электричество без
загрязнения окружающей среды. Между тем, высокопроизводительные устройства
EES (батареи и суперконденсаторы) становятся основным или резервным источником
энергии в электромобилях и современной электронике. Будь то топливный
элемент или устройства EES, новые и недорогие активные материалы являются
ключом к достижению повышения производительности и устойчивости. За последние
несколько лет были проведены огромные исследования высокоэффективных
электродных материалов, включающих углерод, оксиды металлов, карбиды, нитриды и
их производные.

КТМ и НТМ появляются как новые кандидаты в качестве активных
материалов (электрокатализаторов) для применения в топливных элементах и
​​устройствах EES из-за их высокой электропроводности, превосходной реакционной
способности и сильных механических свойств. В настоящее время разработаны
различные методы синтеза для изготовления КТМ и НТМ. Что касается КТМ, то
все они основаны на карботермических реакциях либо методами синтеза без
матрицы, либо с ее помощью. Прекурсор с источниками металлов необходимо
окончательно обработать источником углерода при высоких температурах для
образования ТМС. Недостатком методов синтеза без использования матриц
является плохой контроль морфологии и размера ТМС. Напротив, метод с
использованием Калькаов обеспечивает гораздо больший контроль и, следовательно,
возможность лучшего понимания эффектов структуры, морфологии, и состав по
электрохимическим свойствам. Для НТМ отжиг после восстановления аммиака
является основным способом превращения прекурсоров в НТМ. Важно отметить,
что основное преимущество этого преобразования состоит в том, что морфология
предварительно сформированных предшественников может быть хорошо
сохранена. Их температуры превращения обычно ниже, чем у ТМС, но
использование аммиака не безопасно для окружающей среды. Конечно,
кристаллические структуры и фазы КТМ и НТМ также сильно зависят от температуры
и продолжительности отжига. Кроме того, КТМ могут служить отличной основой
для роста других активных материалов, образующих многокомпонентные гетерогенные
композиты для топливных элементов и изделий EES. Основное преимущество
этого преобразования состоит в том, что морфология предварительно
сформированных прекурсоров может быть хорошо сохранена. Их температуры
превращения обычно ниже, чем у ТМС, но использование аммиака не безопасно для
окружающей среды. Конечно, кристаллические структуры и фазы КТМ и НТМ
также сильно зависят от температуры и продолжительности отжига. Кроме
того, КТМ могут служить отличной основой для роста других активных материалов,
образующих многокомпонентные гетерогенные композиты для топливных элементов и изделий
EES. Основное преимущество этого преобразования состоит в том, что
морфология предварительно сформированных прекурсоров может быть хорошо
сохранена. Их температуры конверсии обычно ниже, чем у ТМС, но
использование аммиака не безопасно для окружающей среды. Конечно, кристаллические
структуры и фазы КТМ и НТМ также сильно зависят от температуры и
продолжительности отжига. Кроме того, КТМ могут служить отличной основой
для роста других активных материалов, образующих многокомпонентные гетерогенные
композиты для топливных элементов и изделий EES. кристаллические структуры
и фазы КТМ и НТМ также сильно зависят от температуры и продолжительности
отжига. Кроме того, КТМ могут служить отличной основой для роста других
активных материалов, образующих многокомпонентные гетерогенные композиты для
топливных элементов и изделий EES. кристаллические структуры и фазы КТМ и НТМ
также сильно зависят от температуры и продолжительности отжига. Кроме
того, КТМ могут служить отличной основой для роста других активных материалов,
образующих многокомпонентные гетерогенные композиты для топливных элементов и изделий
EES.

В свете высокой электропроводности и хорошей реакционной
способности КТМ и НТМ демонстрируют потрясающую способность к EES с высокой
скоростью и превосходную каталитическую реактивность для топливных
элементов. Наноструктурированные КТМ и НТМ обычно демонстрируют лучшие
характеристики (например, более высокую емкость и лучшую электрокаталитическую
реактивность), чем массивные аналоги. Улучшение характеристик объясняется
уменьшением размера частиц и большей площадью поверхности, которые обеспечивают
достаточный контакт между активными материалами и электролитами или реагентами,
а также обеспечивают короткий путь диффузии для электронов и ионов. Между
тем, превосходная механическая стабильность КТМ и НТМ важна и способствует
долгому сроку службы. Сильная механическая опора может облегчить изменение
объема во время реакции, уменьшить измельчение и сохранить стабильность всего
электрода. Следовательно, КТМ и НТМ также могут быть подходящими
проводящими опорами / магистралями для других активных материалов для
применения EES. Для сравнения, КТМ обладают превосходной химической
стабильностью, в то время как большинство НТМ нестабильны в водном электролите
и даже разлагаются во время цикла. Таким образом, НТМ должны быть
модифицированы или покрыты другими защитными слоями, чтобы улучшить
реактивность и срок службы. Кроме того, из-за высокой электропроводности КТМ
и НТМ демонстрируют лучшую высокоскоростную способность и более низкие анодные
потенциалы, чем соответствующие оксиды тугоплавких металлов, когда они
применяются для EES. Стоит отметить, что наноструктурированные карбиды
вольфрама и карбиды молибдена демонстрируют впечатляющие каталитические
характеристики, сравнимые с катализаторами на основе Pt, из-за их структуры
энергетических зон, аналогичной Pt. КТМ и НТМ также могут быть подходящими
проводящими опорами / магистралями для других активных материалов для
применения EES. Для сравнения, КТМ обладают превосходной химической
стабильностью, в то время как большинство НТМ нестабильны в водном электролите
и даже разлагаются во время цикла. Таким образом, НТМ должны быть
модифицированы или покрыты другими защитными слоями, чтобы улучшить
реактивность и срок службы. Кроме того, из-за высокой электропроводности КТМ
и НТМ демонстрируют лучшую высокоскоростную способность и более низкие анодные
потенциалы, чем соответствующие оксиды тугоплавких металлов, когда они
применяются для EES. Следует отметить, что наноструктурированные карбиды
вольфрама и карбиды молибдена демонстрируют впечатляющие каталитические характеристики,
сравнимые с катализаторами на основе Pt, из-за их структуры энергетических зон,
аналогичной Pt. КТМ и НТМ также могут быть подходящими проводящими опорами
/ магистралями для других активных материалов для применения EES. Для
сравнения, КТМ обладают превосходной химической стабильностью, в то время как
большинство НТМ нестабильны в водном электролите и даже разлагаются во время
цикла. Таким образом, НТМ должны быть модифицированы или покрыты другими
защитными слоями, чтобы улучшить реактивность и срок службы. Кроме того,
из-за высокой электропроводности КТМ и НТМ демонстрируют лучшую
высокоскоростную способность и более низкие анодные потенциалы, чем
соответствующие оксиды тугоплавких металлов, когда они применяются для
EES. Следует отметить, что наноструктурированные карбиды вольфрама и
карбиды молибдена демонстрируют впечатляющие каталитические характеристики,
сравнимые с катализаторами на основе Pt, из-за их структуры энергетических зон,
аналогичной Pt. Для сравнения, КТМ обладают превосходной химической
стабильностью, в то время как большинство НТМ нестабильны в водном электролите
и даже разлагаются во время цикла. Таким образом, НТМ должны быть
модифицированы или покрыты другими защитными слоями, чтобы улучшить
реактивность и срок службы. Кроме того, из-за высокой электропроводности КТМ
и НТМ демонстрируют лучшую высокоскоростную способность и более низкие анодные
потенциалы, чем соответствующие оксиды тугоплавких металлов, когда они
применяются для EES. Стоит отметить, что наноструктурированные карбиды
вольфрама и карбиды молибдена демонстрируют впечатляющие каталитические
характеристики, сравнимые с катализаторами на основе Pt, из-за их структуры
энергетических зон, аналогичной Pt. Для сравнения, КТМ обладают
превосходной химической стабильностью, в то время как большинство НТМ
нестабильны в водном электролите и даже разлагаются во время цикла. Таким
образом, НТМ должны быть модифицированы или покрыты другими защитными слоями,
чтобы улучшить реактивность и срок службы. Кроме того, из-за высокой
электропроводности КТМ и НТМ демонстрируют лучшую высокоскоростную способность
и более низкие анодные потенциалы, чем соответствующие оксиды тугоплавких
металлов, когда они применяются для EES. Следует отметить, что
наноструктурированные карбиды вольфрама и карбиды молибдена демонстрируют
впечатляющие каталитические характеристики, сравнимые с катализаторами на
основе Pt, из-за их структуры энергетических зон, аналогичной Pt. Таким
образом, НТМ должны быть модифицированы или покрыты другими защитными слоями,
чтобы улучшить реактивность и срок службы. Кроме того, из-за высокой
электропроводности КТМ и НТМ демонстрируют лучшую высокоскоростную способность
и более низкие анодные потенциалы, чем соответствующие оксиды тугоплавких
металлов, когда они применяются для EES. Следует отметить, что
наноструктурированные карбиды вольфрама и карбиды молибдена демонстрируют
впечатляющие каталитические характеристики, сравнимые с катализаторами на
основе Pt, из-за их структуры энергетических зон, аналогичной Pt. Таким образом,
НТМ должны быть модифицированы или покрыты другими защитными слоями, чтобы
улучшить реактивность и срок службы. Кроме того, из-за высокой
электропроводности КТМ и НТМ демонстрируют лучшую высокоскоростную способность
и более низкие анодные потенциалы, чем соответствующие оксиды тугоплавких
металлов, когда они применяются для EES. Стоит отметить, что
наноструктурированные карбиды вольфрама и карбиды молибдена демонстрируют
впечатляющие каталитические характеристики, сравнимые с катализаторами на основе
Pt, из-за их структуры энергетических зон, аналогичной Pt.

Помимо очевидных преимуществ КТМ и НТМ, существуют также
некоторые существенные недостатки, ограничивающие их практическое
применение. Во-первых, проблема в крупномасштабном управляемом
синтезе. Изготовление карбидов и нитридов металлов с контролируемой /
конкретной структурой и кристаллическими плоскостями обычно требует
многоступенчатого процесса и высокотемпературной обработки, что делает процесс
дорогостоящим, сложным или даже неэкономичным. Это особенно серьезно при
синтезе Калькаов. Кроме того, КТМ и НТМ с высоким кристаллическим качеством
и чистотой всегда образуются при очень высоких температурах (КТМ> 1000 ° C и
НТМ> 800 ° C). Таким образом, для подготовки высококачественных КТМ и НТМ
по-прежнему желательны новые, недорогие и экологически чистые
методы. Во-вторых, нестабильность в водных средах. Это особенно
проблематично для НТМ, которые почти не могут использоваться в качестве
катализаторов для топливных элементов в водных средах из-за их нестабильности в
водном электролите. Легирование металла в НТМ считается эффективным
решением проблемы растворения / разложения. В-третьих, трудности с
предпочтением ориентации роста. Электрокаталитические реакции происходят
на поверхностях и границах раздела между твердыми телами и газами или
жидкостями, поэтому каталитические свойства зависят от кристаллографических
плоскостей. Доказательства были предоставлены в MoS поэтому
каталитические свойства зависят от кристаллографических
плоскостей. Доказательства были предоставлены в MoS поэтому
каталитические свойства зависят от кристаллографических плоскостей. Доказательства
были предоставлены в MoS2 группой Yi, но систематическая работа для
нитридов и карбидов еще не опубликована. Наконец, подробные
электрохимические реакции КТМ и НТМ плохо изучены по сравнению с оксидами
металлов и углеродными материалами с точки зрения как термодинамики, так и
кинетики. Дополнительные теоретические расчеты и методы проверки на месте
(такие как рамановская спектроскопия на месте, XPS, синхротронное рентгеновское
излучение) могут дать некоторое понимание.

Учитывая большое семейство КТМ и НТМ, доступных в
наноструктурах (таких как 2D-слоистые структуры), и их уникальные химические /
физические / электрохимические свойства по сравнению с оксидами металлов, все
еще есть большие возможности для исследования. Срочно необходимы механистические
исследования фундаментальных аспектов использования этих материалов в различных
энергетических изделиях. Методы определения характеристик in situ
необходимы для лучшего понимания точных процессов образования / реакции,
включая способ хранения лития / натрия, формирование Pt-подобного поведения и
поведения комплексного переноса ионов / электронов, а также пути
реакций. В частности, исследования НТМ и КТМ в ионно-натриевых батареях
только начинаются и все еще нуждаются в дальнейшей оптимизации структуры
материала и лучшем понимании конкретного механизма хранения Na.

Фрагмент текста работы:

1. Историческая справка

Для поддержания экономического роста современного общества и
одновременной пригодности Земли необходимо срочно искать новые и чистые
источники энергии, а также повышать эффективность использования первичных
источников энергии. [1,2]

Вся чистая энергия, получаемая от природы, такая как
солнечная, приливная, геотермальная и ветровая энергия, должна быть
преобразована из токов в другие формы для хранения и пополнения запасов, в
основном электрохимическую энергию. Следовательно, необходимы
высокоэффективные промежуточные устройства для хранения и преобразования энергии. На
сегодняшний день в области накопления и преобразования энергии преобладают два
основных типа устройств. Один из них — топливный элемент, другой —
устройства электрохимического накопления энергии (EES), включая различные типы
батарей и суперконденсаторов (СК). Топливный элемент может генерировать
электричество в результате электрохимических реакций между водородом и
кислородом, которые связаны с технологией разделения воды, основанной на
солнечной энергии. Топливный элемент считается основным футуристическим
источником энергии из-за его высокой производительности и бесконечно
возобновляемых характеристик. но огромные препятствия, связанные с высокой
стоимостью и ненадежностью электрокатализаторов на основе Pt, делают его
непрактичным для крупномасштабного производства на данном этапе. Электрод
для топливных элементов состоит из активных электрокатализаторов и
поддерживающей матрицы, а активный электрокатализатор является ключевым
фактором для работы топливных элементов. Текущая тенденция повернулась к
использованию недрагоценных высокоэффективных электрокатализаторов вместо
благородных металлов для коммерческого применения. [3, 4, 5] Между тем,
параллельно с исследованиями топливных элементов, большие усилия прилагаются к
разработке технологий EES нового поколения для удовлетворения растущего спроса
как в расходной электронике, так и в системах электротранспорта. В
настоящее время преобладающие системы EES включаютионно-литиевыебатареи (LIB),[6] натриево-ионных
аккумуляторов (SIB),[7] и СК,[8] с высокой энергией и плотностью
мощности [9], а также с длительной стабильностью при циклической
работе. [10] Все согласны с тем, что будущее устройств EES зависит в
основном от разработки / прорыва передовых материалов для активных электродов.