Ученые предложили «зеленый» метод синтеза новых композитов для литий-ионных аккумуляторов

Химики предложили простой и экологичный метод синтеза композиционных материалов из высокорастворимого оксида германия. Свойства исходного вещества позволяют точно регулировать соотношение компонентов и применять в качестве растворителя обычную воду. Полученные образцы можно использовать в составе анодов для литий-ионных аккумуляторов. С результатами работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться в International Journal of Molecular Sciences.

Германий и его производные широко применяются в микроэлектронике, оптике, «зеленой» энергетике и сенсорике. Однако оксид германия, один из используемых исходных материалов, имеет ряд недостатков, в том числе высокую стоимость и плохую растворимость. В одном литре воды растворяется лишь 4,3 грамма вещества. Это затрудняет дозирование ингредиентов при синтезе производных, а для получения значительного количества продукта необходим большой объем водного раствора или использование высококонцентрированных растворов щелочи. К тому же оксид германия обычно содержит примеси, что создает необходимость дополнительной очистки и снижает выход конечного продукта.

Ранее ученые из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (Москва) разработали простой и быстрый способ получения оксида германия из пероксогерманата аммония. Растворимость вещества достигала 100 грамм на 1 литр воды, при этом его масса на выходе составила почти 100% от массы первичных ингредиентов. В новом исследовании ученые ИОНХ РАН совместно с зарубежными коллегами применили полученный ранее высокорастворимый оксид германия в качестве исходного вещества для синтеза композитных материалов, в дальнейшем использованных при создании анодов для литий-ионных аккумуляторов.

Для получения композитов оксид германия растворяли в воде, а после добавляли этанол, благодаря чему наночастицы вещества формировали тонкую равномерную пленку на подложке. Этанол при этом удалось выделить и использовать повторно. Подложкой выступил оксид графена — углеродный материал, способный при нагревании восстанавливаться и придавать композиту свойства графена, который отличается высокой электропроводностью. Полученные материалы выделили и нагрели до 300°C, что улучшило их проводимость, а после впервые использовали для изготовления на их основе других композитов. Обработка образцов потоком сухого аммиака при температуре 700 °C в течение 10 минут позволила получить нитрид германия. Для синтеза фосфида германия композиты на основе германия смешали с красным фосфором и нагрели до 590 °C.

На каждом этапе ученые синтезировали образцы с различным соотношением соединений германия и графена: 80/20, 50/50 и 20/80. Точно регулировать состав композитов позволила высокая растворимость оксида германия. Для исследования электрохимических свойств полученных материалов ученые изготовили электроды литий-ионных аккумуляторов. Опыты показали, что содержание германия в составе композита влияет на электрохимические свойства материала. Например, образцы с меньшим содержанием германия продемонстрировали хорошую стабильность при большом количестве циклов заряда-разряда.

«Германий по-прежнему остается дорогим ресурсом для промышленного использования. Но он сам и его соединения обладают массой полезных свойств. Нам удалось добиться высоких выходов конечного продукта, это заметно удешевляет процесс. Но главное, что высокая растворимость оксида германия дает возможность расширить список объектов, которые можно получить из него простым и «зеленым» методом. Мы планируем синтезировать и другие интересные соединения германия или материалы на их основе, которые можно будет использовать, к примеру, в газовой сенсорике, в качестве электродов не только для литий-ионных, но и натрий- и калий-ионных аккумуляторов и суперконденсаторов», — рассказывает участник исследования, поддержанного грантом РНФ, Александр Медведев, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лабораторией пероксидных соединений и материалов на их основе ИОНХ РАН.