Сравнительная оценка различных методов определения удельной площади поверхности углеродных материалов, использующихся в электрохимических системах
https://doi.org/10.17277/jamt.2024.03.pp.167-176
Аннотация
В данной работе проведено сравнение методов определения площади поверхности применительно к электродным материалам на примере коммерческих углеродных войлоков различной структуры. Для более полного анализа дополнительно привлечена сканирующая электронная микроскопия, позволившая охарактеризовать морфологию поверхности материала и спектроскопия комбинационного рассеяния, с помощью которой оценивали количество дефектов в кристаллической структуре углерода, а также содержание аморфной фазы. Показана селективность электрохимических методов определения площади поверхности по отношению к краевой плоскости графита, что может являться как преимуществом, так и недостатком, в зависимости от целей исследования. Выявлено, что применение классического метода низкотемпературной адсорбции газов далеко не всегда оправдано, ввиду сложности подбора корректной модели, описывающей исследуемую систему. Кроме того, при исследовании приведенным методом электродных материалов полученные данные будут сильно завышены из-за лучшей смачиваемости углеродного материала азотом, чем водой. Адсорбция красителей из водных растворов, по-видимому, является наиболее подходящим методом для определения смоченной поверхности материала, однако требует наличия большого числа образцов, характеризуется значительной погрешностью и может давать несколько завышенные результаты, хоть и меньшие, чем низкотемпературная адсорбция азота.
Ключевые слова
Об авторах
П. В. ОськинРоссия
Оськин Павел Владимирович, младший научный сотрудник
пр. Ленина, 92, Тула, 300012
Р. В. Лепикаш
Россия
Лепикаш Роман Владимирович, младший научный сотрудник
пр. Ленина, 92, Тула, 300012
Т. П. Дьячкова
Россия
Дьячкова Татьяна Петровна, доктор химических наук, профессор
ул. Советская, 106/5, пом. 2, Тамбов, 392000
С. В. Алферов
Россия
Алферов Сергей Валерьевич, кандидат химических наук, доцент, заведующий лабораторией
пр. Ленина, 92, Тула, 300012
Список литературы
1. Smith REG, Davies TJ, Baynes NDB, Nichols RJ. The electrochemical characterisation of graphite felts. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2015;747:29-38. DOI:10.1016/j.jelechem.2015.03.029
2. Kroner I, Becker M, Turek T. Determination of rate constants and reaction orders of vanadium-ion kinetics on carbon fiber electrodes. ChemElectroChem. 2020;7:4314-4325. DOI:10.1002/celc.202001033
3. Landon-Lane L, Downard AJ, Marshall AT. Single fibre electrode measurements – A versatile strategy for assessing the non-uniform kinetics at carbon felt electrodes. Electrochim Acta. 2020;136709. DOI:10.1016/j.electacta.2020.136709
4. Wang K, Cao Z, Chang J, Sheng Y, et al. Promoted bioelectrocatalytic activity of microbial electrolysis cell (MEC) in sulfate removal through the synergy between neutral red and graphite felt. Chemical Engineering Journal. 2017;327:183-192. DOI:10.1016/j.cej.2017.06.086
5. Feynerol V, El Hage R, Brites Helú M, Fierro V, et al. Comparative kinetic analysis of redox flow battery electrolytes: From micro-fibers to macro-felts. Electrochimica Acta. 2022;421:140373. DOI:10.1016/j.electacta.2022.140373
6. Maltsev AA, Bibikov SB, Varfolomeev SD, Kalinichenko VN, et al. Determining the specific surface area of carbon electrode materials for electrodes of supercapacitors via the adsorption of methylene blue dye. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2018;92(4):772-777. DOI:10.1134/S0036024418040209
7. Kuzmina EV, Dmitrieva LR, Karaseva EV, Kolosnitsyn VS. On the possibility of application of the method of sorption of dyes for determining the specific surface area of carbon materials for lithium-sulfur battaries. Izvestia Ufimskogo nauchnogo tsentra RAN. 2020;2:29-34. DOI:10.31040/2222-8349-2020-0-2-29-34 (In Russ.)
8. Wen M, Liu H, Zhang F, Zhu Y, et al. Amorphous FeNiPt nanoparticles with tunable length for electrocatalysis and electrochemical determination of thiols. Chemical Communications. 2009;30:4530-4532. DOI:10.1039/B907379E
9. Zhu P, Zhao Y. Cyclic voltammetry measurements of electroactive surface area of porous nickel: Peak current and peak charge methods and diffusion layer effect. Materials Chemistry and Physics. 2019;233:60-67. DOI:10.1016/j.matchemphys.2019.05.034
10. Zou Y, Walton AS, Kinloch IA, Dryfe RAW. Investigation of the differential capacitance of highly ordered pyrolytic graphite as a model material of graphene. Langmuir. 2016;32(44):11448-11455. DOI:10.1021/acs.langmuir.6b02910
11. Rice RJ, Mccreery RL. Quantitative relationship between electron transfer rate and surface microstructure of laser-modified graphite electrodes. Analytical Chemistry. 1989;61(15):1637-1641. DOI:10.1021/ac00190a010
12. Rice RJ, Pontikos NM, McCreery RL. Quantitative correlations of heterogeneous electrontransfer kinetics with surface properties of glassy carbon electrodes. Journal of the American Chemical Society. 1990;112(12):4617-4622. DOI:10.1021/ja00168a001
13. Iamprasertkun P, Hirunpinyopas W, Keerthi A, Wang B, et al. Capacitance of basal plane and edgeoriented highly ordered pyrolytic graphite: specific ion effects. Journal of Physical Chemistry Letters. 2019;10(3):617-623. DOI:10.1021/acs.jpclett.8b03523
14. Yuan W, Zhou Y, Li Y, Li C, et al. The edge- and basal-plane-specific electrochemistry of a single-layer graphene sheet. Scientific Reports. 2013;3:2248. DOI:10.1038/srep02248
15. Pandolfo AG, Hollenkamp AF. Carbon properties and their role in supercapacitors. Journal Power Sources. 2006;157:11-27. DOI:10.1016/j.jpowsour.2006.02.065
16. Mcdermott MT, Kneten K, Mccreery RL. Anthraquinonedisulfonate adsorption, electron-transfer kinetics, and capacitance on ordered graphite electrodes: the important role of surface defects. Journal of Physical Chemistry. 1992;96(7):3124-3130. DOI:10.1021/j100186a063
17. Velický M, Toth PS, Woods CR, Novoselov KS, Dryfe RAW. Electrochemistry of the basal plane versus edge plane of graphite revisited. Journal of Physical Chemistry C. 2019;123(18):11677-11685. DOI:10.1021/acs.jpcc.9b01010
18. Li Y, Li Q, Wang H, Zhang L, et al. Recent progresses in oxygen reduction reaction electrocatalysts for electrochemical energy applications. Electrochemical Energy Reviews. 2019;2:518-538. DOI:10.1007/s41918-019-00052-4
19. Ramesh P, Sampath S. Electrochemical characterization of binderless, recompressed exfoliated graphite electrodes: electron-transfer kinetics and diffusion characteristics. Analytical Chemistry. 2003;75(24):6949-6957. DOI:10.1021/ac034833u
20. Chen P, Mccreery RL. Control of electron transfer kinetics at glassy carbon electrodes by specific surface modification. Analytical Chemistry. 1996;68(22): 3958-3965. DOI:10.1021/ac960492r
21. Kneten KR, McCreery RL. Effects of redox system structure on electron-transfer kinetics at ordered graphite and glassy carbon electrodes. Analytical Chemistry. 1992;64(21):2518-2524. DOI:10.1021/ac00045a011
22. McCreery RL, McDermott MT. Comment on electrochemical kinetics at ordered graphite electrodes. Analytical Chemistry. 2012;84:2602-2605. DOI:10.1021/ac2031578
23. Abdelrahim AM, Abd El-Moghny MG, El-Shakre ME, El-Deab MS. High mass loading MnO2/graphite felt electrode with marked stability over a wide potential window of 1.9 V for supercapacitor application. Journal of Energy Storage. 2023;57:106218. DOI:10.1016/j.est.2022.106218
24. Rosolen JM, Matsubara EY, Marchesin MS, Lala SM, et al. Carbon nanotube/felt composite electrodes without polymer binders. Journal Power Sources. 2006;162(1):620-628. DOI:10.1016/j.jpowsour.2006.06.087
25. Emmel D, Hofmann JD, Arlt T, Manke I, et al. Understanding the impact of compression on the active area of carbon felt electrodes for redox flow batteries. ACS Applied Energy Materials. 2020;3(5):4384-4393. DOI:10.1021/acsaem.0c00075
26. Das I, Das S, Ghangrekar MM. Application of bimetallic low-cost CuZn as oxygen reduction cathode catalyst in lab-scale and field-scale microbial fuel cell. Chemical Physics Letters. 2020;751:137536. DOI:10.1016/j.cplett.2020.137536
27. Randviir EP. A cross examination of electron transfer rate constants for carbon screen-printed electrodes using Electrochemical Impedance Spectroscopy and cyclic voltammetry. Electrochimica Acta. 2018;286:179-186. DOI:10.1016/j.electacta.2018.08.021
28. Lavagnini I, Antiochia R, Magno F. An extended method for the practical evaluation of the standard rate constant from cyclic voltammetric data. Electroanalysis. 2004;16(6):505-506. DOI:10.1002/elan.200302851
29. Lazanas AC, Prodromidis MI. Electrochemical impedance spectroscopy – A Tutorial. ACS Measurement Science Au. 2022;3:162-193. DOI:10.1021/acsmeasuresciau. 2c00070
30. Wei L, Sevilla M, Fuertes AB, Mokaya R, Yushin G. Hydrothermal carbonization of abundant renewable natural organic chemicals for high-performance supercapacitor electrodes. Advanced Energy Materials. 2011;1(3):356-361. DOI:10.1002/aenm.201100019
31. Li Z, Deng L, Kinloch IA, Young RJ. Raman spectroscopy of carbon materials and their composites: Graphene, nanotubes and fibres. Progress in Materials Science. 2023;135. DOI:10.1016/j.pmatsci.2023.101089
32. Chernyak SA, Ivanov AS, Stolbov DN, Egorova TB, et al. N-doping and oxidation of carbon nanotubes and jellyfish-like graphene nanoflakes through the prism of Raman spectroscopy. Applied Surface Science. 2019;488:51-60. DOI:10.1016/j.apsusc.2019.05.243
33. Ghosh S, Ganesan K, Polaki SR, Ravindran TR, et al. Evolution and defect analysis of vertical graphene nanosheets. Journal of Raman Spectroscopy. 2014;45(8): 642-649. DOI:10.1002/jrs.4530
34. Bonpua J, Yagües Y, Aleshin A, Dasappa S, Camacho J. Flame temperature effect on sp2 bonds on nascent carbon nanoparticles formed in premixed flames (Tf,max > 2100 K): A Raman spectroscopy and particle mobility sizing study. Proceedings of the Combustion Institute. 2019;37(1):943-951. DOI:10.1016/j.proci.2018. 06.124
35. Cançado LG, Jorio A, Ferreira EHM, Stavale F, et al. Quantifying defects in graphene via Raman spectroscopy at different excitation energies. Nano Letters. 2011;11(8):3190-3196. DOI:10.1021/nl201432g
36. Ribeiro-Soares J, Oliveros ME, Garin C, David MV, et al. Structural analysis of polycrystalline graphene systems by Raman spectroscopy. Carbon. 2015;95:646652. DOI:10.1016/j.carbon.2015.08.020
37. Eckmann A, Felten A, Mishchenko A, Britnell L, et al. Probing the nature of defects in graphene by Raman spectroscopy. Nano Letters. 2012;12:3925-3930. DOI:10.1021/nl300901a
38. Venezuela P, Lazzeri M, Mauri F. Theory of double-resonant Raman spectra in graphene: Intensity and line shape of defect-induced and two-phonon bands. Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2011;84:035433. DOI:10.1103/PhysRevB.84.035433
39. Ferrari AC, Basko DM. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nature Nanotechnology. 2013;8:235-246. DOI:10.1038/nnano.2013.46
40. Huong Le TX, Bechelany M, Cretin M. Carbon felt based-electrodes for energy and environmental applications: A review. Carbon. 2017;122:564-591. DOI:10.1016/j.carbon.2017.06.078
41. Morales DM, Risch M. Seven steps to reliable cyclic voltammetry measurements for the determination of double layer capacitance. JPhys Energy. 2021;3(3): 034013. DOI:10.1088/2515-7655/abee33
42. Landon-Lane L, Marshall AT, Harrington DA. EIS at carbon fiber cylindrical microelectrodes. Electrochemistry Communications. 2019;109:106566. DOI:10.1016/j.elecom.2019.106566
43. Rabbow TJ, Trampert M, Pokorny P, Binder P, Whitehead AH. Variability within a single type of polyacrylonitrile-based graphite felt after thermal treatment. Part II: Chemical properties. Electrochimica Acta. 2015;173:24-30. DOI:10.1016/j.electacta.2015.05.058
Рецензия
Для цитирования:
Оськин П.В., Лепикаш Р.В., Дьячкова Т.П., Алферов С.В. Сравнительная оценка различных методов определения удельной площади поверхности углеродных материалов, использующихся в электрохимических системах. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2024;9(3):167-176. https://doi.org/10.17277/jamt.2024.03.pp.167-176
For citation:
Oskin P.V., Lepikash R.V., Dyachkova T.P., Alferov S.V. Comparative evaluation of different methods for determining the specific surface area of carbon materials used in electrochemical systems. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2024;9(3):167-176. https://doi.org/10.17277/jamt.2024.03.pp.167-176
JATS XML















