Синтез никелевых наноструктурированных микроволокон для повышения электрохимической активности никелевых электродов

В настоящее время актуальными являются исследования свойств наноструктурированных материалов для электрохимических приложений, в частности, для разработки перспективных суперконденсаторов. В связи с этим особый интерес направлен на исследование новых способов синтеза никелевых микроволоконных наноструктурированных материалов. Проблема исследования заключается в том, что существующие способы синтеза сложны и требуют или специализированного оборудования, или большого количества химических реактивов для синтеза никелевых наноструктурированных материалов. Цель работы – определение влияния реагентов хлорида никеля в качестве окислителя и гидразингидрата в качестве восстановителя на параметры никелевых микроволокон – длину и развитость поверхности. С помощью данной методики получены никелевые наноструктурированные микроволокна в зависимости от концентрации окислителя. Морфология полученных продуктов охарактеризована методами оптической микроскопии и сканирующей электронной микроскопии. Показано, что морфология микроволокон плавно меняется с изменением концентрации окислителя, что обеспечивает управляемость характеристиками продукта, настройку требуемой длины никелевых микроволокон в диапазоне от 20 до 150 мкм. Методом рентгенофазового анализа подтверждено, что конечными продуктами синтеза являются никелевые микроволокна без каких-либо побочных примесей. Показана высокая электрохимическая активность никелевых электродов, модифицированных синтезированными структурами, в щелочном электролите. Полученные результаты могут быть использованы в электрохимических источниках тока, в том числе аккумуляторах и суперконденсаторах, а также в других приложениях, там, где требуется развитая поверхность, например, в сенсорах и катализе.

1. Török TI, Pázmán J, Szabó M, et al. Laboratory preparation and characterization of electroless nickel coated powders of industrially produced aluminium and iron(III) oxides. Materials Science Forum. 2013;752:284-293. DOI:10.4028/www.scientific.net/msf.752.284

2. Gromov AA, Nalivaiko AY, Ambaryan GN, et al. Aluminum–alumina composites: Part 1: Obtaining and characterization of powders. Materials. 2019;12(19):3180. DOI:10.3390/ma12193180

3. Morozov M, Ivanov S, Kadirov M, et al. Facile synthesis of a binder-free 3D Ni/NiO microwire network with a nanostructured fiber surface for a negative electrode in Li-ion battery. Journal of Applied Electrochemistry. 2021;51(5):815-828. DOI:10.1007/s10800-021-01541-5

4. Liu C, Li C, Ahmed K, et al. Template free and binder less NiO nanowire foam for Li-ion battery anodes with long cycle life and ultrahigh rate capability. Scientific Reports. 2016;6(1). DOI:10.1038/srep29183

5. Holzer L, Iwanschitz B, Hocker T, et al. Microstructure degradation of cermet anodes for solid oxide fuel cells: Quantification of nickel grain growth in dry and in humid atmospheres. Journal of Power Sources. 2011;196(3):1279-1294. DOI:10.1016/j.jpowsour.2010.08.017

6. Nam K-W, Kim K-H, Lee E-S, et al. Pseudocapacitive properties of electrochemically prepared nickel oxides on 3-dimensional carbon nanotube film substrates. Journal of Power Sources. 2008;182(2):642-652. DOI:10.1016/j.jpowsour.2008.03.090

7. Wu M-S, Hsu W-H. Nickel nanoparticles embedded in partially graphitic porous carbon fabricated by direct carbonization of nickel-organic framework for high-performance supercapacitors. Journal of Power Sources. 2015;274:1055-1062. DOI:10.1016/j.jpowsour.2014.10.133

8. Yuan G- hui, Jiang Z- hua, Aramata A, et al. Electrochemical behavior of activated-carbon capacitor material loaded with nickel oxide. Carbon. 2005;43(14): 2913-2917. DOI:10.1016/j.carbon.2005.06.027

9. Cheng Y-K, Zhang F, Tang L-L, et al. Pregnancy associated nasopharyngeal carcinoma: A retrospective case-control analysis of maternal survival outcomes. Radiotherapy and Oncology. 2015;116(1):125-130. DOI:10.1016/j.radonc.2015.06.008

10. Dong S, Ji X, Yu M, et al. Direct synthesis of interconnected porous carbon nanosheet/nickel foam composite for high-performance supercapacitors by microwave-assisted heating. Journal of Porous Materials. 2017;25(3):923-933. DOI:10.1007/s10934-017-0504-0

11. Liu Y, Lu Q, Huang Z, et al. Electrodeposition of Ni–Co–S nanosheet arrays on N-doped porous carbon nanofibers for flexible asymmetric supercapacitors. Journal of Alloys and Compounds. 2018;762:301-311. DOI:10.1016/j.jallcom.2018.05.239

12. Nagaraju G, Cha SM, Yu JS. Ultrathin nickel hydroxide nanosheet arrays grafted biomass-derived honeycomb-like porous carbon with improved electrochemical performance as a supercapacitive material. Scientific Reports. 2017;7(1). DOI:10.1038/srep45201

13. Wu M-S, Zheng Z-B, Lai Y-S, et al. Nickel cobaltite nanograss grown around porous carbon nanotubewrapped stainless steel wire mesh as a flexible electrode for high-performance supercapacitor application. Electrochimica Acta. 2015;182:31-38. DOI:10.1016/j.electacta.2015.09.049

14. Feng J, Zhao J, Tang B, et al. The electrochemical performance of ordered mesoporous carbon/nickel compounds composite material for supercapacitor. Journal of Solid State Chemistry. 2010;183(12):2932-2936. DOI:10.1016/j.jssc.2010.09.043

15. Yang H-X, Zhao D-L, Meng W-J, et al. Nickel nanoparticles incorporated into N-doped porous carbon derived from N-containing nickel-MOF for highperformance supercapacitors. Journal of Alloys and Compounds. 2019;782:905-914. DOI:10.1016/j.jallcom.2018.12.259

16. Muench F, Oezaslan M, Rauber M, et al. Electroless synthesis of nanostructured nickel and nickel–boron tubes and their performance as unsupported ethanol electrooxidation catalysts. Journal of Power Sources. 2013;222:243-252. DOI:10.1016/j.jpowsour.2012.08.067

17. Zhao X, Muench F, Schaefer S, et al. Electroless decoration of macroscale foam with nickel nano-spikes: A scalable route toward efficient catalyst electrodes. Electrochemistry Communications. 2016;65:39-43. DOI:10.1016/j.elecom.2016.02.002

18. Choi J-Y, Lee Y-K, Yoon S-M, et al. A chemical route to large-scale preparation of spherical and monodisperse Ni powders. Journal of the American Ceramic Society. 2005;88(11):3020-3023. DOI:10.1111/j.1551-2916.2005.00582.x

19. Chou L-H, Hung W-C, Lee M-T. On the preparation of nickel nanoparticles by chemical reduction method: X-ray absorption spectroscopy. Materials Science. 2016;22(2). DOI:10.5755/j01.ms.22.2.12921

20. Eluri R, Paul B. Synthesis of nickel nanoparticles by hydrazine reduction: mechanistic study and continuous flow synthesis. Journal of Nanoparticle Research. 2012;14(4). DOI:10.1007/s11051-012-0800-1

21. Nicholls D, Swindells R. Hydrazine complexes of nickel(II) chloride. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 1968;30(8):2211-2217. DOI:10.1016/0022-1902(68)80219-2

22. Guo L, Liu C, Wang R, et al. Large-scale synthesis of uniform nanotubes of a nickel complex by a solution chemical route. ChemInform. 2004;35(25). DOI:10.1002/chin.200425241

23. Li Y, Li C, Wang H, et al. Preparation of nickel ultrafine powder and crystalline film by chemical control reduction. Materials Chemistry and Physics. 1999;59(1):88-90. DOI:10.1016/s0254-0584(99)00015-2

24. Gao J, Guan F, Zhao Y, et al. Preparation of ultrafine nickel powder and its catalytic dehydrogenation activity. Materials Chemistry and Physics. 2001;71(2): 215-219. DOI:10.1016/s0254-0584(01)00275-9

25. Chen D-H, Wu S-H. Synthesis of Nickel Nanoparticles in Water-in-Oil Microemulsions. Chemistry of Materials. 2000;12(5):1354-1360. DOI:10.1021/cm991167y

26. Boudjahem A-G, Monteverdi S, Mercy M, et al. Study of support effects on the reduction of Ni2+ ions in aqueous hydrazine. Langmuir. 2003;20(1):208-213. DOI:10.1021/la035120

27. Zheng H-G, Liang J-H, Zeng J-H, et al. Preparation of nickel nanopowders in ethanol-water system (EWS). Materials Research Bulletin. 2001;36(5):947-952. DOI:10.1016/s0025-5408(01)00569-4

28. Park JW, Chae EH, Kim SH, et al. Preparation of fine Ni powders from nickel hydrazine complex. Materials Chemistry and Physics. 2006;97(2):371-378. DOI:10.1016/j.matchemphys.2005.08.028

29. Qiao L, Han X, Gao B,et al.Microwave absorption properties of the hierarchically branched Ni nanowire composites. Journal of Applied Physics. 2009;105(5): 053911. DOI:10.1063/1.3081649

30. Xue S, Li M, Wang Y, et al. Electrochemically synthesized binary alloy FeNi nanorod and nanotube arrays in polycarbonate membranes. Thin Solid Films. 2009;517(20):5922-5926. DOI:10.1016/j.tsf.2007.08.011

31. Okamoto T, Ichino R, Okido M, et al. Effect of ammonia on the crystal morphology of nickel oxalate precipitates and their thermal decomposition into metallic nickel. Materials Transactions. 2005;46(2):171-174. DOI:10.2320/matertrans.46.171

32. Zhang C, Yao Y, Zhan J, et al. Template-free synthesis of Ni microfibres and their electromagnetic wave absorbing properties. Journal of Physics D: Applied Physics. 2013;46(49):495308. DOI:10.1088/0022-3727/46/49/495308

33. Zhang X, Zhang Z, Han X. Synthesis of coral-like nickel nanocrystallites via a dipolar-interaction-directed self-assembly process. Journal of Crystal Growth. 2005;274(1):113-117. DOI:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.075

34. Niu H, Chen Q, Ning M, et al. Synthesis and onedimensional self-assembly of acicular nickel nanocrystallites under magnetic fields. The Journal of Physical Chemistry B. 2004;108(13):3996-3999. DOI:10.1021/jp0361172

35. Yue HY, Song SS, Huang S, et al. Preparation of three-dimensional hollow graphene balls and simultaneous electrochemical determination of dopamine and uric acid. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2018;29(14):12330-12339. DOI:10.1007/s10854-018-9346-z

36. Oshchepkov AG, Bonnefont A, Pronkin SN, et al. Nanostructured nickel nanoparticles supported on vulcan carbon as a highly active catalyst for the hydrogen oxidation reaction in alkaline media. Journal of Power Sources. 2018;402:447-452. DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.09.051