Primena materijala na bazi grafena u elektrokatalizi i skladištenju energije
Application of graphene-based materials in electrocatalysis and energy storage
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
U ovoj tezi izvršeno je elektrohemijsko ispitivanje odabranih grafenskih
materijala koji se razlikuju prema dva ključna parametra sa aspekta njihove
upotrebe u sistemima za skladištenje energije – specifičnoj površini i sadržaju
kiseoničnih grupa. Ispitani su materijali sa niskom specifičnom površinom i
visokim sadržajem kiseonika, zatim sa niskom specifičnom površinom i niskim
sadržajem kiseonika i na kraju sa visokom specifičnom površinom i niskim
sadržajem kiseonika. Na osnovu detaljne karakterizacije utvrđene su tačne vrste i
udeli pojedinih kiseoničnih funkcionalnih grupa, kao i prisustvo defekata.
Teorijskim proračunima zasnovanim na teoriji funkcionala gustine definisani su
strukturni modeli koji omogućavaju specifične reverzibilne interakcije kiseonikom
funkcionalizovanih grafenskih materijala sa jonima alkalnih metala, a koje su
registrovane elektrohemijskim eksperimetnima. Naglašen je značajan doprinos
površinskih (pseudo)faradejskih procesa ukupnom kapacitivnom odzivu
materi...jala, kao i njihova veza sa retencijom kapaciteta. U radu su prikazane i neke
specifične pojave u kapacitivnom odzivu visokooksidovanog grafena, kao što je
povećanje njegove kapacitivnosti tokom ciklovoltametrijskog testiranja i zavisnost
navedenog povećanja kapaciteta od vrste katjona. Za materijal sa najvećim
sadržajem kiseoničnih funkcionalnih grupa određena je veza između potencijala
ireverzibilne redukcije i kapacitivnosti, a opažene promene korelisane su sa
promenom ramanskih spektara tokom postepene redukcije. Obzirom da je najveći
porast kapacitivnosti opažen prilikom umerene redukcije, navedena pojava ide u
prilog prethodno dokazanom doprinosu kiseoničnih grupa. Elektrokatalitički efekti
ispitivani su prema reakciji evolucije vodonika u alkalnoj sredini. Iako ni jedan od
navedenih materijala ne pokazuje katalitički efekat prema ovoj reakciji,
evidentiran je značajan promotorski efekat materijala dobivenog redukcijom
prekursora sa najvećim sadržajem kiseonika na katalitička svojstva
elektrodeponovanog nikla. Oslanjajući se na nedavno objavljena teoretska
istraživanja, promotorski efekat je pripisan modifikaciji reaktivnosti bazalne ravni
usled preostalih kiseoničnim grupama i objašnjen preko pojave spillovera
vodonika na faznoj granici grafen oksid|nikal...
In this thesis, electrochemical behaviour of selected graphene materials,
differentiated by two features of the utmost importance for their application in
energy storage devices – their specific surface area and oxygen content – was
investigated. First material posses low specific surface area (SSA) and high oxygen
content, second one low SSA and low oxygen content and the third one high SSA
and low oxygen contetn. Detailed characterization revealed exact types and
concentrations of particular oxygen functionalities and structural defects.
Theoretical calculations based on density functional theory were used to define
structural models that allow reversible specific interactions between oxygenfunctionalized
graphenes and alkali metal ions, which were observed by
electrochemical experiments. Significant contribution of surface (pseudo)faradaic
processes to the total capacitance is emphasized, as well as their relation with the
capacitance retention. Also, some specific features of highl...y oxydized graphene,
namely, the increase of its capacitance during prolonged cycling and its
dependence on the type of the cation present in the electrolyte were observed.
Also, correlation between irreversible reduction potential and the increase of the
specific capacitance was found for highly oxydized sample, and correlated to the
observed change in the Raman spectra during gradual reduction. Since the highest
increase in the capacitance was observed for moderate reduction potentials, this
observation was discussed in terms of previously discussed contribution of oxygen
functionalities. Electrocatalytic effects of these materials were investigated for
hydrogen evolution reaction (HER) in aqueous alkaline media. While neither of the
investigated materials have catalytic activity towards HER, reduced graphene
oxide exhibited significant promotion effect on the catalytic activity of the
electrodeposited nickel. Supported by recent theoretical investigations, this
phenomenon is discussed in terms of the hydrogen spillover effect, for which the
modification of the reactivity of the grahene basal plane due to the remaining
oxygen functionalities is likely to be responsible...