Научная работа, опубликованная в Journal of Physical Chemistry C, была проведена в Химическом институте им. А.М. Бутлерова (НИЛ Перспективные углеродные наноматериалы КФУ) под руководством с.н.с. Айрата Димиева.  

 «Интеркаляты графита являются полупродуктами ряда важнейших процессов. Один из этих процессов (жидкофазная эксфолиация графита) приводит к получению графена. Еще один продукт, который можно получить с помощью интеркалята – это производные графена (ковалентно-модифицированные). Важно, что на циклической интеркаляции-деинтеркаляции графита основано функционирование литий-ионных аккумуляторов – широко распространенных в современной бытовой электронной технике. И понимание этих процессов позволит улучшить их функционирование», -  пояснил Айрат Димиев.

Как известно, литий-ионные аккумуляторы являются источником энергии в электромобилях, а также самым популярным типом аккумуляторов в сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и электромобилях.

История проекта началась в 2012 году во время работы Айрата Димиева в университете Райса (Хьюстон, штат Техас, США) в группе профессора Джеймса Тура. В ходе исследований Айрат Димиев обнаружил, что взаимные переходы различных интеркаляционных соединений графита можно наблюдать в обычный оптический микроскоп в отраженном свете. Помогал ему в работе Натнаэль Бехабту – в то время аспирант из группы профессора Маттео Паскали. Тогда было обнаружено, что механизм перехода в интеркалятах, образованных из высоко-организованного пиролитического графита, сильно отличается от интеркалятов, образованных из натурального графита. По этой теме была написана и опубликована статья. Однако на осмысление результатов, полученных в университете Райса ранее, и объяснения наблюдаемых эффектов, потребовалось шесть лет и дополнительные эксперименты, которые были проведены уже в стенах КФУ при активном участии еще одного сотрудника лаборатории Ксении Шухиной. 

В результатах исследования, опубликованного в Journal of Physical Chemistry C, ученые описали особенности динамики интеркалята между листами графена в высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ).

Интеркаляционные соединения графита (ИСГ) образуются путем внедрения определенных атомарных и молекулярных частиц между слоями графита. Они обладают рядом уникальных свойств, которыми не обладают исходные материалы, одним из самых интригующих является сверхпроводимость - открытие, которое вызвало наибольший интерес.

В зависимости от электрохимического потенциала интеркалята и соответствующего заряда на графеновых слоях графит образует структуры, в которых один, два или более графеновых слоя расположены между двумя слоями интеркалята. Полученные соединения называют интеркаляционными соединениями стадии-1, стадии-2 и стадии-3, соответственно. Несмотря на интенсивные и длительные исследования ИСГ, механизм взаимных переходов различных стадий друг в друга остается неясным.

В своей работе ученые использовали оптическую и Рамановскую микроскопию для прямого мониторинга в режиме реального времени взаимных переходов ИСГ, приготовленных из высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ). Было замечено, что переходы между различными стадиями в ИСГ на основе ВОПГ происходят совсем не так, как в ИСГ, приготовленных из природного графита.

Исследователи также обнаружили особую природу динамики интеркалята между листами графена, не подчиняющуюся законам классической механики. Также было замечено, что самый первый цикл интеркаляции отличается от всех последующих циклов реинтеркаляции, что важно именно для лучшего понимания функционирования литий-ионных аккумуляторов.

_ _

НИЛ «Перспективные углеродные наноматериалы» была основана в 2016 г. в рамках программы повышения конкурентоспособности КФУ. Основные цели лаборатории - изучение химии растворов оксида графена, синтез новых нанокомпозитов на основе оксида графена с металлами и их применение в катализе, получение новых полимерных композитных материалов с наноуглеродными наполнителями и др. (подробнее). Финансирование исследований лаборатории осуществляется из средств проекта «5-100».