Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия...

39
!#! $%&' ()%*+,- $+./0.1)&2 345%6,&6 3-78- 93:;:3:< =0/- >1.8 ?-,-@0% A%0B6,1%0)&C D6%'&.0%@8 E.-F&00-. +6C 3.10@&& ()+%. A&G+.@H&6@ -F I+@&.%+/0 J*%&6*& +6C K6,%6&&.%6, A%.&*@-.2 L:M: A.&N&/ O+6-H+@&.%+/0 ;60B@1@& E)%/+C&/G)%+ )PGQRR6+6-:H+@&.%+/0:C.&N&/:&C1

Transcript of Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия...

Page 1: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

!"#"!"

$%&'"()%*+,-"

$+./0.1)&2"345%6,&6" 3-78-"93:;:3:<"

"

=0/-"

>1.8"?-,-@0%"A%0B6,1%0)&C"D6%'&.0%@8"E.-F&00-."+6C"3.10@&&"()+%.""A&G+.@H&6@"-F"I+@&.%+/0"J*%&6*&"+6C"K6,%6&&.%6,"

A%.&*@-.2"L:M:"A.&N&/"O+6-H+@&.%+/0";60B@1@&"

E)%/+C&/G)%+"

)PGQRR6+6-:H+@&.%+/0:C.&N&/:&C1"

Page 2: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Yury Gogotsi!Director, A.J. Drexel Nanomaterials Institute!

Distinguished University Professor and Trustee Chair"!

Department of Materials Science & Engineering!Drexel University, Philadelphia, Pennsylvania, USA!

#$%&'()*+, *-*(./': "*(0+& .-1&'/-%+,!

(1 (12'+1/3 )( 4'/.&*&*/3 !

RASA-USA Annual Meeting, Cambridge, MA, November 9, 2014

Page 3: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Drexel University: A Vibrant Urban University

•! K0@+5/%0)&C"%6"#ST#"

•! (-!-G"G.-,.+H"%0"-6&"-F"@)&"6+B-6U0"-/C&0@2"/+.,&0@2"+6C""5&0@!76-V6"*--G&.+B'&"&C1*+B-6"G.-,.+H0"

•! WX2#YW"0@1C&6@0"Z"!"#$%&'()*+#%0@1C&6@"G-G1/+B-6"%6"@)&"D:J:"

•! (-//&,&0"["0*)--/0Q"K6,%6&&.%6,2"\10%6&002"]+V2"I&C%*%6&2"L.@0"["J*%&6*&02"I&C%+"L.@0"+6C"A&0%,62"KC1*+B-62";6F-.H+B-6"J*%&6*&"["3&*)6-/-,8"

•! A&G@:"-F"I+@&.%+/0"J*%&6*&"["K6,%6&&.%6,".+670"!!#$"-1@"-F"SS"G.-,.+H0"%6"@)&"D:J:"9O+B-6+/"^&0&+.*)"(-16*%/"J!^+67%6,02"J&G@:"W_#_<"

•! `%,)/%,)@&C"+0"-6&"-F"@)&"@-G"#_"aDG!+6C!(-H&.0b"%6""!"#"$%&'($)*+$,-./+$0&1-.23("W_#W"&C%B-6"-F""aLH&.%*+c0"\&0@"(-//&,&0:b"

Bossone building (home to College of Engineering labs)

Page 4: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

"""(+.5-6"O+6-@15&0"Z"*-HG-0%@&02"0%6,/&"*&//"G.-5&0""!"#$%"$"9W___<2"!"#$%"$"9W_#_<2"&'()*$+&'%,"9W_##<2"!"#$%-."+/$0,*(1+9W_#W<""

"""O+6-C%+H-6C"Z"6+6-*-HG-0%@&02"C.1,"C&/%'&.8"23+45$*#"'%+67$5#"'8+!,"#$(9$9W__X2"W__T<d"&'()*$+&'%,+9W_#W<"""

"""O+6-G-.-10"(+.5-60"Z",+0"9`W2"(`e<"0@-.+,&2"2"G.-@&%6"0-.GB-6"01G&.*+G+*%@-.02"V+@&."C&0+/%6+B-6 ""

&'()*$"9#TTe<2"&'()*$"9W__#<2"!"#$%"$"9W__X2"W_#_<"

"""(+.5-6"I+@&.%+/0"F-."K/&*@.%*+/"K6&.,8"J@-.+,&"&'()*$+:'($*#'81"9W__S2"W_#W<d"&'()*$+&'%,"9W_#_<d"&'()*$"9W_#e<"+!"#$%"$"9W_##2"W_#e<"

"""3V-!A%H&60%-6+/"(+.5%C&0"+6C"O%@.%C&0"4;<3+:'($*"9W_##2"W_#e<2"&'()*$+6,55:2"!"#$%"$"9W_#Y<2"&'()*$2"=&4!""9W_#e<%

Current Research Activities - Gogotsi Group

Page 5: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

f"

Outline!

f"

^%*)"g-./C"-F"(+.5-6"O+6-H+@&.%+/0"

h.-H"E1.&"(+.5-6"@-"(+.5%C&0"

(+0&"J@1C8Q"J1G&.*+G+*%@-."K/&*@.-C&0"

Page 6: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

,-%

!-%

.-%

/-%

/-%

/-%

0%

0%0%

0%0%

0%

1%1%.-.-.- 1%.-

1%

23&&*(*4*%

5'46#37*%

8('9$*4*%

:;6(9$63+%

8('9$<#*%

-<';64=%

,-

23&&*(*4*

5'46#37*

Carbon Nanomaterials!!

10/0764=*=>%%)*-+4)5-*+$$64)5-*+-4+($$"

$$$$$$$10.0764=*=>+$$$$7.)18&*&$$$%)*-29:&($$;9//&.&*&($

<).:-*$-*4-*($$$$$%)*-8-.*($$%)*-=-*&($

+>-.-9(?+4(-.+&.&+$=).:-*(@$

A=BC)2&+$=).:-*$$<).:-*$D:&.($

<).:4+&E+&.4C&+$=).:-*$F&51/)2&+$=).:-*$

$$A&.-G&/($$$$$$

100764=*=>%<).:H*&($$I/4*&).$=).:-*$$=8)4*(J$

Page 7: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Carbon Nanotube/Nanofiber Family

100 nm

12 nm

f

25 nm 46 nm 65 nm

a c d e

Ni

3 nm

760 nm300 nm90 nm 195 nm

g h i k

Ni

500 nm

210 nm

150 nm

j

b

100 nm

12 nm

f

25 nm 46 nm 65 nm

a c d e

Ni

3 nm

760 nm300 nm90 nm 195 nm

g h i k

Ni

500 nm

210 nm

150 nm

j

b

L"F&V".&G.&0&6@+B'&0"-F"+"/+.,&"F+H%/8"-F"*+.5-6"6+6-@15&02"V)%*)"F-.H"[email protected]*@1.&0".+6,%6,"F.-H"i#"6H"@-")16C.&C0"-F"6+6-H&@&.0"%6"C%+H&@&.:"3)&8"*+6"5&"G1.*)+0&C"+0"G-VC&.02"G+G&.2"-."+/%,6&C"+..+80"-6"*-6C1*B6,"9L/2"3%2"0@&&/2"&@*:<"0150@.+@&0:"

>:"?-,-@0%?%:'($*#'81+/$1$'*"7+>%%,<'-,%12"K2"#TW"9W__Y<"""

]+.,&"'-/1H&"G.-C1*B-6"-F"6+6-@15&0"%6"()%6+"K1.-G&2"M+G+6"+6C"@)&"DJ""

L"F&V".&G.&0&6@+B'&0"-F"+"/+.,&"F+H%/8"-F"*+.5-6"6+6-@15&02"V)%*)"F-.H"[email protected]*@1.&0".+6,%6,""%6"C%+H&@&.:"3)&8"*+6"5&"G1.*)+0&C"+0"G-VC&.02"

Page 8: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

0D Buckyballs 1D Nanotubes 3D Graphite

2D Graphene

L:"$:"?&%H2"$:"J:"O-'-0&/-'2"&'()*$+:'($*#'81L$M2"#SY"9W__j<"">:"?-,-@0%2"$23+=791#"'8+67$5#1(*9+?$@"2"N2"Wf_T"9W_##<"

Graphene: Mother of All Graphitic Materials!!

Page 9: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Carbon Nanomaterials Timetable!

1985 – Kroto and Smalley: fullerenes from pulsed laser e v a p o r a t i o n o f graphite

1991 – Iijima: multi-wall nanotubes on electrodes during arc discharge

1993 – Iijima: synthesis of single-wall carbon nanotubes from soot of arc discharge with iron

2004 – Geim and Novoselov: show a unique electronic structure of a graphene sheet

>:"?-,-@0%2"(+.5-6"O+6-H+@&.%+/02"(^("E.&002"W__X"

Page 10: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

W__"6H"

g:"g+6,2"&@"+/2"6'*A,%2"OP2"#jXT"9W_#W< """>:"?-,-@0%2"!"#$%"$2"QQP2"#YYW"9W_#_<"""

Jg(O3"6+6-.%6,0"

G.-C1*&C"10%6,"+"E%*7&.%6,"

&H1/0%-6!5+0&C"G.-*&00"

L")8G-@)&B*+/"H+@&.%+/"*-60%0B6,"-F"%6@&./-*7%6,"6+6-@15&".%6,0"

Carbon Rings "

Page 11: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Carbon Nanohorns, Nanocones and Cones!

J:";%k%H+"&@"+/:2"67$53+=7913+?$@"L"QPRL$#Xf"9#TTT< """>:"?-,-@0%2"&@"+/2"6'*A,%2"e_2"WWXY"9W__W<""M:L:"M+0l*l+72"&@"+/:"6'*A,%L"ST2"W_Sf"9W__Y<""

,.-V@)"

B#1"8#%'-,%=$%('C,%1+

#"mH"

Page 12: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

sp3 Carbon Structure Evolution

I&@)+6&"nWo#_!#_"H"

A%+H-6C""p#o#_!j"H"

6!L/7+6&0"

A%+H-6C-%C0"neo#_!#_!#o#_!T"H"

5'46=<';64=%@/A!,0B0CA!,0B%;%

()+.

+*@&

.%0B*

"C%+

H&@

&."

E-/8H&.0"9*)+%60<"

O1H5&."-F"*+.5-6"+@-H0"

Page 13: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Detonation Synthesis of Nanodiamond

q:"O:"I-*)+/%62"&@"+/:2"%)29.&$%)*-2&=8*-/"$C2"##"9W_#W<"

0

10

20

30

40

2000 3000 4000 5000

Pres

sure

, GPa

Temperature, K

8('9$<#*%

-<';64=%

D<E3<=%

!F.%4;% .%4;% 73&G%

:%CH3NO2O2N

NO2

N

N

NNO2

NO2

O2N

"4;%",0",,4;%

HI9&6+<J*%K$'()*%

L5MN%O%5.1N.M1LM1LM.1L%

""

P%

PP%

PPP%

PQ%

Q%

QP%

QPP%

32"$"]-V"

`%,)"

q:"A+6%/&67-2">8H("$#-/4+$#2)2&$RS?%fTf!fTT"9W__e<"

Page 14: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

What is Nanodiamond?!

•! ;6&NG&60%'&"•! L'+%/+5/&"*-HH&.*%+//8"•! KN*&//&6@"H&*)+6%*+/"

G.-G&.B&0"

•! JH+//"G+.B*/&"0%l&"•! \%-*-HG+B5/&"•! ^%*)"01.F+*&"*)&H%[email protected]"

(-1.@&08"-F"A.:"q:q:"A+6%/&67-"

-*#64'T64%K$';7*(%#6%9(6=3K*%4'46=<';64=%

U6=*&%6V%'%+<4)&*%"%4;%=<';*#*(%4'46=<';64=%

9'(TK&*%

q:"O:"I-*)+/%62"&@"+/:"&'()*$+&'%,($"7%,83+C2"##!WY"9W_#W<"J:"=00V+/C2"&@"+/F%23+45$*#"'%+67$5#"'8+!,"#$(9L$#WS2"##XYf"9W__X<$

Page 15: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

q:"O:"I-*)+/%62"&@"+/2"&'()*$+&'%,L$K2"##"9W_#W<" ""A:"E&*)2"&@"+/2"&'()*$%&'%,D+O2"Xf#"9W_#_<"""

5 nm

ND soot purified ND

Detonation Nanodiamonds!!

Page 16: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

W9$*(<K'&%K'(764%4'469'(TK&*+X%U3&T0+$*&&%V3&&*(*4*+%

JG&*%r*"01.F+*&"+.&+" SPP$U$MPP$5V?G$

E+.B*/&"0%l&" #&C&.)/$*)*-5&2&.($

E-.&"0%l&" WN$*5L$4*2&.1).B=/&$$

A:"E&*)2"&@"+/?%&'()*$%&'%,D+O2"Xf#"9W_#_<"M:"I*A-6-1,)2"&@"+/2"6'*A,%D+f_2$QNRX$9W_#W<" R. Lin, et al, J. Physical Chemistry Lett., 2, 2396 (2011)"

(:"E-.@&@2"&@"+/?+6'*A,%2"SOL"Wf##"9W__j<"

W9$*(<K'&%K'(764%4'469'(TK&*+X%

I-C&/Q"`:"3&..-6&0"["I:"3&..-6&0"

Onion-Like Carbon!!

Page 17: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Structure of Porous Carbons!!

•! Quenched Molecular Dynamics (QMD) snapshots of the model structures of Ti-CDC. Surface termination has not been taken into account.

•! Hybrid Reverse Monte Carlo and QMD modeling performed using neutron scattering data (RDF) and verified by HRTEM:"

""

M:"(:"E+/H&.2"&@"+/2"6'*A,%2"SXL"###X"9W_#_<""

h+0@"s1&6*)%6,"t"X__u(" I&C%1H".+@&"t"S__u(" J/-V"s1&6*)%6,"t"#W__u("

e"6H"

Page 18: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Case Study: "Supercapacitor Electrodes!

#S"

Page 19: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

I&*)+6%0H0"-F"()+.,&"J@-.+,&"

J1G&.*+G+*%@-.0"91/@.+*+G+*%@-.02"C-15/&!/+8&."*+G+*%@-.02"&/&*@.-*)&H%*+/"*+G+*%@-.0<"C%v&."%6"@)&%."&/&*@.%*+/"+6C"&/&*@.-*)&H%*+/"*)+.+*@&.%0B*0"F.-H"5+P&.%&0:"

E:"J%H-62">:"?-,-@0%2"\:"A1662"!"#$%"$2"QSQL$#W#_"9W_#e<"

Page 20: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

E:"J%H-62">:"?-,-@0%2"&'()*$+:'($*#'81L+j2"Sef"9W__S<""\:"A8+@7%62"&@"+/:2"67$5!)167$52"M2"WWXT"9W_#Y<""

Affordable and efficient electrical energy storage is needed to enable widespread use of renewable energy sources and provide energy security for our future

Y(69*(T*+%6V%+39*(K'9'K<#6(+>%]-6,"*8*/%6,Q"1G"@-"#2___2___2""`%,)"G-V&.2""`%,)&."&6&.,8"C&60%@8"F-."1G"@-"#_!Y_"0"C%0*)+.,&"-.")+.'&0B6,"""

Electrochemical Storage of Energy!

E-00%5/&"@-"H+7&"@)&"&6B.&"C&'%*&"F.-H"&+0%/8"(*KZK&'7&*%;'#*(<'&+%

%

-.")+.'&0B6,""

Page 21: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

3.+H0"%6"?&.H+682"G-V&.&C"58"01G&.*+G+*%@-.02"10&"Y_w"/&00"&6&.,8""@)+6"@)&%."&s1%'+/&6@0"%6"-@)&.".&,%-60:""

0780*.+G&.*%@8:*-H"E:"\+//"9&C:">:"?-,-@0%<2":/!+E)88$-%?%J&G@:"W_#W"E:"\+//"9&C:">:"?-,-@0%<2":/!+E)88$-%2"O-':"W_#W"

•! W"N"#fg"]KA"•! ()+.,%6,"BH&"t"W!X").02"

C&G&6C%6,"-6"V&+@)&."•! 3)&"0@.&&@"/+HG"9]KA"+6C"

0-/+."G+6&/0<"C&'&/-G&C"58"O%GG-6"()&H%!(-6"+6C"$8-*&.+"(-.G-.+B-6"

KA]("x"J-/+."x"]KA"#_"8&+.0""

H+%6@&6+6*&"F.&&"

Applications of Supercapacitors!!

Page 22: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

The Electrochemical Flow Capacitor

q:"E.&00&."&@"+/2"4;<'%"$;+F%$*C9+:'($*#'812"W2"STf"9W_#W<""$:"\:"`+@l&//2"&@"+/:2"F8$"(*,"7#5#"'+4"('2"###2"SSS"9W_#Y<""M:"g:"(+HG-02"F8$"(*,"7#5#"'+4"('L"TS2"#WY"9W_#Y<""

WK'&'7&*%:(K$<#*K#3(*%

2&6['7&*%%L'9'K<TJ*%W&3((Z%

L$'()*%W#6(')*%<4%H&*K#(<K%-637&*%D'Z*(%

W9$*(<K'&%L'(764%\*'=+%

Page 23: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

g%66&."-F"@)&";6@&.6+B-6+/"J*%&6*&"["K6,%6&&.%6,"q%01+/%l+B-6"()+//&6,&"$:"M-0@2"\:"L6+0-.%2"I:"\&%C+,)%2"?:"A%-62">:"?-,-@0%"

$:"M-0@2"&@"+/:2"!"#$%"$2"QSQ2"X_W"9W_#e<""

Page 24: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

y!O&&C"@-"%6*.&+0&"&6&.,8"9p#__"g!)"7,!#<"@-"C%.&*@/8"*-HG&@&"V%@)"5+P&.%&0"y! ;-6%*"/%s1%C0"-v&."+"/+.,&."'-/@+,&"V%6C-V"@)+6"@.+C%B-6+/"&/&*@.-/8@&02"G.-'%C%6,"+"H1*)"

,.&+@&."&6&.,8"C&60%@8"

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6

Ene

rgy

dens

ity (W

-h k

g-1)

Voltage (V)

Aqueouselectrolytes

Organicelectrolytes

Ionicliquids

]3*+T64>""`-V"@-"H+@*)"+"*+.5-6"&/&*@.-C&"V%@)"+6"&/&*@.-/8@&"9@)-10+6C0"-F"*-H5%6+B-60z<"

Electrolytes for Supercapacitors!!

!

E =12CV 2

E:"J%H-62">:"?-,-@0%2"=7#83+G*'%13+/,9'8+!,"3+42"QMX2"Yefj"9W_#_<""

Page 25: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

(+G+*%@+6*&"%6*.&+0&0"+0"G-.&"0%l&"C&*.&+0&0"5&/-V"#"6H"9@)%0"'+/1&"C&G&6C0"-6"@)&"&/&*@.-/8@&"%-6"0%l&<:"

M:"()H%-/+2"&@"+/:2"!"#$%"$L$QTQ2"#jX_"9W__X<""

x"

x"

!"

!"

!"

!"

!"

!"

x"

x"

x" x"

x" x" x"

x"

x" x"

x"

x"

x" x"

x"

!"!"

!"

!"

!" !"

!"

!"

!"

!"

!"!"

L6-C&"

!"

;-60"IDJ3"5&"C&0-/'+@&Cz"

Ion desolvation in subnanometer pores!!

Page 26: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

(:"]+.,&-@2"&@"+/:2"23+453+67$53+!,"3L$TQP2"WjY_"9W__S<"^:"]%62"&@"+/:2"F8$"(*,"7#5#"'+4"('L%fe2"j_Wf"9W__T<""

/0H&*K#(6=*%L*&&%<4%HUP0^2WP%

",_%K'9'K<#'4K*%<4K(*'+*%J+%'KTJ'#*=%K'(764%U'I<;3;%'#%'99(6IF%,FC%4;%!%[$*4%<64%+<`*%@%96(*%+<`*aaa%

!%P64+%'(*%K64b4*=%<4%96(*+%

L*&&%L'9'K<#'4K*%c2X)d%

E-0%B'&"K/&*@.-C&"9hR,<"

5*)'TJ*%H&*K#(6=*%c2X)d%

X_"

S_"

#__"

#W_"

#e_"

#X_"

#S_"

_:X" _:j" _:S" _:T" #:_" #:#"

L%c2X)d"

Y6(*%W<`*%c4;d"

:KTJ'#*=%%K'(764%

3hJ;!"KI;x"

Matching the Pore Size to the Ion Size!!56#*%#*+T4)%'#%S,eLa%

Page 27: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Ion Adsorption in Carbon Pores!

M:"(:"E+/H&.2"&@"+/:2%6'*A,%2"SX2"###X"9W_#_<"(:"I&./&@2"&@"+/:2"&'()*$+:'($*#'812"TT2"Y_X"9W_#W<"

•! I-/&*1/+."C86+H%*0"9IA<"0%H1/+B-6"-F"C%v10%-6"-F"%-60"F.-H"%-6%*"/%s1%C"%6@-"G-.&0"-F"#W__u(!(A(:""

•! "3)&"6-6!%C&+/%l&C"IA"H-C&/"-F"(A("[email protected]*@1.&"10&C"/&C"@-"@)&"H-0@".&+/%0B*"0%H1/+B-6"+6C"s1+6B@+B'&/8"+**1.+@&"G.&C%*B-6"-6"*+G+*%@+6*&:"0%H1/+B-6"+6C"s1+6B@+B'&/8"+**1.+@&"G.&C%*B-6"-6"*+G+*%@+6*&:"

Page 28: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

A:"E&*)2"&@"+/:2"&'()*$%&'%,2+OL$Xf#"9W_#_<"I:"\&%C+,)%2">:"?-,-@0%2"F%$*C9+F%<3+!"#$%"$2"K2"SXj"9W_#e<""

L"'-/1H&@.%*"G-V&."C&60%@8"-F"1G"@-"#"7g"*H!Y"V+0"-5@+%6&C"V%@)"+"@)%*76&00"-F"@)&"C&G-0%@&C"/+8&."%6"@)&"n#_"mH2"6-@"@)&"6H".+6,&:""""

Design of Interdigital Micro-supercapacitors "with OLC, CDC and CNT Electrodes !!

^:"]%62"&@"+/:2"2=6+?$@"2"NL"WYTX"9W_##<"

Page 29: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

The Future

$:"M-0@"

Page 30: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

From pure carbon to carbides!

Y_"

Page 31: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

Graphene is important, but there are many other exciting and useful carbon (and not only carbon) nanomaterials !

>:"?-,-@0%?%:'($*#'81+G,;'92"TO2"X"9W_#W<"""

Page 32: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

2D World Beyond Graphene

?.+G)&6&"

Z"("?.+G)&6&Q"

fff%

YW"

3.+60%B-6"H&@+/"C%*)+/*-,&6%C&0"93IA0<"

Z"I-2" Z"J"I-JWQ"

3.+60%B-6"H&@+/"-N%C&0"+6C")8C.-N%C&02"*/+80"

Z"L/2" Z"J%d"$+-/%6%@&Q" Z"=2" Z"=`"

`&N+,-6+/"5-.-6%@.%C&"9)!\O<""

Z"\2" Z"O")!\OQ"

fff%3.+60%B-6"H&@+/"*+.5%C&0"

+6C"6%@.%C&0"9I{&6&0<""fff%fff%fff%

Z"3%2" Z"("3%W(Q"

q:"O%*-/-0%2"&2$)/:2"!"#$%"$"Ye_2"#eW_"9W_#Y<"

Page 33: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

I:"O+,1%52"&@"+/:2"4;<'%"$;+:'($*#'81+9W_##<"""I:"O+,1%52"&@"+/:2"46!+&'%,+9W_#W<"=:"I+0)@+/%.2"&@"+/:2"&'()*$+6,55"$9W_#Y<""""""""""I:"]17+@07+8+2"&@"+/:2"!"#$%"$"9W_#Y<"I:"O+,1%5"&@"+/:2"4;<'%"$;+:'($*#'81+9W_#e<"

Two-Dimensional Transition Metal Carbides, Oxycarbides and Carbonitrides – 13 synthesized (9 published), dozens more predicted"

U.g%

U/g.%

URg/%

4;<'%"$;+:'($*#'81+4;<'%"$;+:'($*#'81+9W_##<"""9W_##<"""I:"I:"O+,1%5O+,1%52"&@"+/:2"2"&@"+/:2"&'()*$+6,55"$9W_#Y<""""""""""I:"]17+@07+8+

4;<'%"$;+:'($*#'81+9W_#e<

Two-Dimensional Transition Metal Carbides, Carbonitrides – 13 synthesized

(9 published), dozens more predicted

MXene – A New Family of 2D Materials!

Page 34: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

M2X M4X3 M3X2

M2AX M3AX2

M4AX3

Etching “A” layer from Mn+1AXn + Sonication " MXene

YZ&*&(Q"WA"3.+60%B-6"I&@+/0"(+.5%C&0"+6C"O%@.%C&0"

U*#'&&<K%K64=3KTJ<#Z%NZ=(69$<&<K%%^34'7&*%7'4=%)'9%Y'9*(?%b&;+?%K6;96+<#*+%P4#*(K'&'T64%6V%6()'4<K+%L'T64+%<4#*(K'&'#*=>%`x2"O`e

x2"]%x2"O+x2"$x2"(0x23ILx"I,Wx2"L/Yx"

E5Wx"9|:"E&6,2"[A<#2"W_#e<"

H&*J*4%.-%K'(7<=*+%'4=%K'(764<#(<=*+%9(6=3K*=%%<4%'763#%/%Z*'(+%

Page 35: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

MXene Nanosheets !

3KI"+6C"JLKA"*)+.+*@&.%l+B-6"=GB*+//8"@.+60G+.&6@"

I:"O+,1%52"&@"+/:2"4;<'%"$;+:'($*#'81L+WY2"eWeS"9W_##<""I:"O+,1%52"&@"+/"2"46!+&'%,L%X2"#YWW"9W_#W<"M:"`+/%H"&@"+/:L$67$53+:'($*:2"9W_#e<"

^</L.%%

LhI"0)-V0"n#"6H"}+7&"@)%*76&00"

Page 36: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

K/&*@.-*)&H%[email protected]"-F"A&/+H%6+@&C"3%Y(W"

• q&.8")%,)"'-/1H&@.%*"*+G+*%@+6*&"%6"$=`2"I,WJ=e"+6C"-@)&."+s1&-10"&/&*@.-/8@&0"

• ;6@&.*+/+B-6"*+G+*%@+6*&"Z"6&V"0*%&6*&"@-"5&"&NG/-.&C"• KN*&//&6@"*8*/+5%/%@8•! ]-V"&/&*@.-6%*".&0%0@+6*&"Z"+CC%B'&"F.&&2"}&N%5/&"aG+G&.b"&/&*@.-C&0"

! "!!! #!!! $!!! %!!! &!!!!!

'!

&!!

&'!

"!!

"'!

(!!

('!

#!!

)*+,-./012

3245

421/4

62.73892-

( 3: ;2 +.36,-<.0

! "! #!! #"! $!! $"!%#&!

%!&'

%!&(

%!&)

*+,-.

,/012343

,/5-236

0 10 200

-10

-20

-30

-40

-50

Z im

agin

ary,

!

Z real, !

!"#$%&'!($%&'

!"#$ !"#% !"#& !"#' !"#( !"#) "#"

!*""

!$""

!&""

!(""

"

(""

&""

+

,-./0

12345

+567

65426

8519+:;50

'

<-218246 .9+, +=> #+?@<

+?@ < +A +!"#&+,+=> #+BC;BC@ .

I:"]17+@07+8+2"&2$)/"L$!"#$%"$L+QST2"#f_W"9W_#Y<"

"I:"]17+@07+8+2"&2$)/"L$&'()*$L"O-':"W_#e"

Page 37: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

!"#$%&"'( )"%*+,(+,&+,-( )"%*+,(,",+#.*$-( /%"01$,$( 23#&4"#$5(3"%*+,(

)"%*&5$(5$%&4$5(3"%*+,(

6$70'"#$5((3"%*+,(

!"#$%&"'%()"*+, -.!, /.!, 0.!, 1.!, 1.!, 1.!,2'%345*"6"*+, 7"89, 7"89, 7"89, :';, <'3$=(*$, :';,>')4#$*="5,2(?(5"*(%5$,

:';, :';, <'3$=(*$, 7"89, 7"89, :';,

2'&*, 7"89, 7"89, <'3$=(*$, :';, <'3$=(*$, 7"89,@*=45*4=$,

, , , , , ,!

E:"J%H-62">:"?-,-@0%2"4"",)%(1+67$53+/$1F2%SM2"#_Te"9W_#Y<""

•! g&"*+6"=*+<)4%K'(764%4'46+#(3K#3(*+%F-."0G&*%r*"+GG/%*+B-60:"E-.&"0%l&2"01.F+*&"+.&+2"+**&00%5%/%@82"*-6C1*B'%@82"01.F+*&"*)&H%[email protected]"+6C"-@)&."G+.+H&@&.0"*+6"5&"*[email protected]//&C:"

•! (+.5-6"+//-V0"@.1/8"4'46+K'&*%*4)<4**(<4)%-F"H+@&.%+/0"F-."0-.GB-6"-F"%-602",+0&02"5%-H-/&*1/&02"&@*:""

•! O&V"*+.5-6!*-6@+%6%6,"/-V!C%H&60%-6+/"H+@&.%+/0"F1.@)&."5.-+C&6"@)&"G+/&P&:"

Summary of Carbon-based Nanomaterials for Energy Storage!

Page 38: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

"L*76-V/&C,&H&6@"

\HW?%HHhH0\:^^%%

Page 39: Углеродный наномир: новые наноматериалы, от открытия до применения. Юрий Гогоци

!"YT"!"

Thank You!

\:"L6+0-.%"&@"+/2"!"#$%"$+YYf2"fWX"9W_#W<""

3)&"&C,&"-F"@)&"@V-!C%H&60%-6+/"V-./C"