Способ получения графана и графаноподобных материалов

(51) 82 40/00 (2011.01) 01 8/22 (2011.01) 25 1/04 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Изобретение относится к нанотехнологиям и к получению графана и графаноподобных материалов и связанных с ними структур и может быть использовано при создании топливных элементов водородной энергетики,в частности для транспортных систем, а также при создании наноэлектронных систем,основанных на использовании графена с контролируемыми электронными свойствами. Способ включает в себя графен или несколько слоев графена,расположенных в воде или растворе электролита,анод, катод и регулируемый источник напряжения,при этом потенциал графена ниже потенциала анода. Технический результат повышение скорости реакции гидрогенизации, упрощение и понижение стоимости технологии изготовления графановых топливных элементов и создание условий для их массового производства.(72) Ильин Аркадий Михайлович Гусейнов Назим Рустамович Немкаева Рената Руслановна Цыганов Иван Алексеевич Борисов Борис Александрович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный университет им. аль-Фараби Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФАНА И ГРАФАНОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ Изобретение относится к способам получения гидрогенизованного однослойного и -слойного графена и водородосодержащих графеновых наноструктур(графаноподобных материалов),перспективными областями применения которых считается электроника и водородная энергетика, в частности в качестве водородных топливных элементов для электромобилей. Достигаемый технический результат - повышение скорости гидрогенизации графена и техническое упрощение способа за счет использования электролитической ванны. Предлагаемый эффективный способ получения гидрогенизованного однослойного и -слойного графена и водородосодержащих графеновых наноструктур(графаноподобных материалов) включает помещение графенового материала в жидкую среду, содержащую водород, в частности воду, располагаясь между анодом и катодом в электролитической ванне, где под действием электрического поля и происходит весь процесс. Известен способ получения полностью гидрогенизованного графена (графана) методом ионно-плазменной обработки графена /,А.К.,,,, ,,.306,666 (2004)/. Сущность способа заключается в том,что образец графена помещается в вакуумную камеру, содержащую смесь инертного газа и водорода, анод и катод при давлении порядка 10-2 10-3 Па, располагаясь в пространстве между анодом и катодом, где под действием электрического поля создается разряд и подвергается воздействию электрического тока в результате чего происходит диссоциация молекулярного водорода и активация поверхности графена, что создает условия для формирования соединения атомов водорода,бомбардирующих графен с его поверхностью /. С., . . ., . Т. М. .,. . ., . ., . . ., . . ., . .,М. .,. ., К. ..2009, 323, 610-613/ Недостатком данного способа является то, что по условию стабильного существования плазмы в вакуумной камере ток ионов водорода,необходимых для гидрогенизации графена должен быть очень мал, вследствие чего скорость гидрогенизации будет мала и при этом требуется значительное время (типичное время - несколько часов) для создания даже небольшой по размерам(десятки микрон) гидрогенизованной области. Кроме того, значительная часть ионов водорода из области плазмы, имеющих достаточно высокие энергии (десятки электроновольт) легко проникает сквозь слой графена и с большой вероятностью формирует связи Н-С и на обратной стороне листа графена,в результате чего образуется гидрогенизованный с двух сторон графен, причем уровень гидрогенизации (отношение Н-С на поверхности графена) при таком способе не может 2 быть контролируемым. В то же время, возможность контроля при создании гидрогенизованного графена очень важна. Материал с полностью насыщенными связями н а обеих графеновых поверхностях(Н/С 1)получил в научной литературе название графан (фиг.1), и является в отличие от графена диэлектриком. В том случае, когда не все связи на графеновой поверхности насыщены водородом(Н/С 1), материал называется графаноподобным материалом. Свойства графаноподобного материала целиком зависят от концентрации водорода. Например,энергия связи водорода в графане достаточно велика и составляет около 650 кДж/моль / ,, . . В 75 (153401) (2007) 4/, что потребует слишком высокой температуры для отделения водорода и неприемлемо для использования в транспортных системах типа электромобиля. В графаноподобных материалах при определенных уровнях гидрогенизации энергия связи водорода может быть получена существенно меньшей, чем у графана 200 - 300 кДж/ моль, что позволяет использование таких материалов в качестве емких топливных ячеек водорода. Кроме того, известный способ связан с использованием дорогостоящего оборудования (вакуумная камера,системы создания и поддержания плазмы,источники высокого напряжения). Это делает данный способ непригодным для массового производства графана и графаноподобных материалов, что необходимо для водородной энергетики, в частности, для производства топлива для электромобилей. Задачей изобретения является разработка нового способа получения гидрогенизованного однослойного и(графаноподобных материалов). Технический результат - повышение скорости гидрогенизации графена при техническом упрощении самого способа. Технический результат получения графана и графаноподобных материалов достигается предлагаемым способом так, что гидрирование графена или многослойных графеновых материалов осуществляется в электролитической ванне. Сущность настоящего изобретения заключается в том, что графеновый материал помещается в жидкую среду, содержащую водород, в частности, в воду, располагаясь между анодом и катодом в электролитической ванне, где под действием электрического поля происходит расщепление молекул воды и активизация поверхности графена, в результате чего атомы и ионы водорода вступают в химическую связь с графеном, образуя графан или графаноподобные структуры, в зависимости от достигнутого в процессе соотношения Н/С. Осуществление способа гидрогенизации графена схематично изображено на фиг.2. Для осуществления способа графеновая мишень 4 помещается в электролитическую ячейку 1,содержащую водный раствор электролита или чистую воду, между анодом 2 и катодом 3, таким образом, что она имеет потенциал катода. С помощью регулируемого источника напряжения 5 между анодом 2 и катодом 3 создается разность потенциалов и происходит гидрогенизация мишени,причем регулируя выходное напряжение источника можно производить гидрирование графена только с одной стороны (фиг.3), или создавать возможность частичного проникновения ионов также и на обратную сторону графена и ее частичную гидрогенизацию. При таком способе гидрогенизации энергия связи водорода резко уменьшается до 180 - 200 кДж / моль, что уже является вполне приемлемым для осуществления температурного воздействия на гидрогенизованный графен с целью выделения водорода для транспортного двигателя. Поскольку плотность тока при электролизе выше плотности тока в плазменном разряде примерно в 104 раз, то время, необходимое для достижения нужной степени гидрирования соответственно меньше. Способ позволяет также быстро производить гидрогенизацию графеновых мишеней большого размера. На фиг. 4 представлены рамановские спектры полученные от гидрогенизованных образцов. Спектры полностью совпадают с известными спектрами,полученными от образцов,гидрогенизованных в условиях ионноплазменной технологии / , . С., , . ., , Т. М. ., , . ., , ., , . . . .,. .,М. ., . .,. ..2009, 323, 610-613. /, что является подтверждением формирования графаноподобной структуры в результате использованного нами метода. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения графана и графаноподобных материалов, содержащий среду водорода, анод,катод и мишень, состоящую из-слойного графена,расположенную в пространстве между анодом и катодом, и электрически соединенную с катодом,отличающийся тем,что в качестве водородосодержащей среды используют воду или электролит, а графеновая мишень находится в воде или электролите и имеет потенциал ниже потенциала анода.