Russian Journal of Inorganic ChemistryRussian Journal of Inorganic ChemistryЖурнал неорганической химии0044-457X3034-560XThe Russian Academy of Sciences66529110.31857/S0044457X22600931JBIXIMНЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОМАТЕРИАЛЫUnknownSinthesis and Properties of Hard Carbon Materials Made of Molybdenum-Doped Viscose Fiber for Negative Electrodes of Sodium-Ion BatteriesСинтез и свойства твердоуглеродных материалов из вискозного волокна, допированного молибденом, для отрицательных электродов натрий-ионных аккумуляторовZheleznovV. V.ЖелезновВ. В.ttt@ich.dvo.ruSaenkoN. S.СаенкоН. С.ttt@ich.dvo.ruMaiorovV. Yu.МайоровВ. Ю.ttt@ich.dvo.ruUstinovA. Yu.УстиновА. Ю.ttt@ich.dvo.ruSokol’nitskayaT. A.СокольницкаяТ. А.ttt@ich.dvo.ruKuryavyiV. G.КурявыйВ. Г.ttt@ich.dvo.ruShlikD. Kh.ШлыкД. Х.ttt@ich.dvo.ruSokolovA. A.СоколовА. А.ttt@ich.dvo.ruOpraD. P.ОпраД. П.ttt@ich.dvo.ruInstitute of Chemistry, Far Eastern Branch, Russian Academy of SciencesИнститут химии ДВО РАН0103202368337338226022025Copyright ©; 2023, В.В. Железнов, Н.С. Саенко, В.Ю. Майоров, А.Ю. Устинов, Т.А. Сокольницкая, В.Г. Курявый, Д.Х. Шлык, А.А. Соколов, Д.П. ОпраCopyright ©; 2023, В.В. Железнов, Н.С. Саенко, В.Ю. Майоров, А.Ю. Устинов, Т.А. Сокольницкая, В.Г. Курявый, Д.Х. Шлык, А.А. Соколов, Д.П. Опра2023В.В. Железнов, Н.С. Саенко, В.Ю. Майоров, А.Ю. Устинов, Т.А. Сокольницкая, В.Г. Курявый, Д.Х. Шлык, А.А. Соколов, Д.П. ОпраВ.В. Железнов, Н.С. Саенко, В.Ю. Майоров, А.Ю. Устинов, Т.А. Сокольницкая, В.Г. Курявый, Д.Х. Шлык, А.А. Соколов, Д.П. Опраhttps://transsyst.ru/0044-457X/article/view/665291

Herein, a method for the preparation of hard carbon via carbonization of chemically modified (molybdenum-doped) commercially available viscose fiber was developed. The effects of a molybdenum dopant on carbonization conditions were studied. The carbonization products retained the fibrous structure and flexibility. The structural features of the synthesized hard carbon materials were investigated, and their relationships to the carbonization temperature and the amount of the molybdenum dopant were analyzed. The texture of materials was studied, and correlations between the specific surface area and porosity, on the one hand, and the synthesis conditions, on the other, were discovered. The usefulness of the products as anode materials for sodium-ion batteries was evaluated. The electrochemical tests, together the extant relevant data, indicate that molybdenum induces the structural rearrangement of the carbon framework upon annealing, accompanied by the growth and ordering of graphite-like nanoclusters. The material prepared at 1050°C exhibited the best electrochemical performances among the synthesized products and the stable cyclability with a capacity of 290 (mA h)/g at a current density of 25 mA/g.

Предложен метод синтеза твердого углерода путем карбонизации химически модифицированной (допированной молибденом) коммерчески доступной технической вискозной нити. Изучено влияние молибденсодержащей добавки на условия карбонизации. Отмечено, что продукты карбонизации сохраняют волокнистое строение и гибкость. Изучены структурные особенности синтезированных твердоуглеродных материалов, обнаружена их взаимосвязь с температурой карбонизации и содержанием вводимого молибденсодержащего допанта. Исследована текстура материалов, выявлена корреляция удельной площади поверхности и пористости с условиями синтеза. Рассмотрена возможность использования полученных продуктов в роли анодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов. Сопоставление результатов электрохимических испытаний с известными данными свидетельствует об индуцированной молибденом под действием температуры структурной перестройке углеродного каркаса, сопровождающейся ростом и упорядочением графитоподобных нанокластеров. Материал, полученный при температуре 1050°С, показал наилучшие электрохимические характеристики и способность к устойчивому циклированию с емкостью 290 мА ч/г при 25 мА/г.

hard carbonviscoseheteroatomic dopingmolybdenumanode materialтвердый углеродвискозагетероатомное допированиемолибденанодный материалXie F., Xu Z., Guo Z. et al. // Prog. Energy. 2020. V. 2. № 4. P. 042002. https://doi.org/10.1088/2516-1083/aba5f5Ma J., Li Y., Grundish N.S. et al. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54. № 18. P. 183001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/abd353Xu G., Amine R., Abouimrane A. et al. // Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. № 14. P. 1702403. https://doi.org/10.1002/aenm.201702403Mukherjee S., Bin Mujib S., Soares D. et al. // Materials (Basel). 2019. V. 12. P. 1952. https://doi.org/10.3390/ma12121952Yu P., Tang W., Wu F.-F. et al. // Rare Met. 2020. V. 39. № 9. P. 1019. https://doi.org/10.1007/s12598-020-01443-zSimone V., Boulineau A., de Geyer A. et al. // J. Energy Chem. 2016. V. 25. № 5. P. 761. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.04.016Li Y., Hu Y.-S., Titirici M.-M. et al. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. № 18. P. 1600659. https://doi.org/10.1002/aenm.201600659Yamamoto H., Muratsubaki S., Kubota K. et al. // J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. № 35. P. 16844. https://doi.org/10.1039/C8TA05203DHou H., Qiu X., Wei W. et al. // Adv. Energy Mater. 2017. V. 7. № 24. P. 1602898. https://doi.org/10.1002/aenm.201602898Wang W., Li W., Wang S. et al. // J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. № 15. P. 6183. https://doi.org/10.1039/c7ta10823kZhu Z., Liang F., Zhou Z. et al. // J. Mater. Chem. A. 2018. V. 6. № 4. P. 1513. https://doi.org/10.1039/C7TA07951FZhang H., Huang Y., Ming H. et al. // J. Mater. Chem. A. 2020. V. 8. № 4. P. 1604. https://doi.org/10.1039/C9TA09984KШандаков С.Д., Вершинина А.И., Ломакин М.В. и др. // Вестн. Кемеровского гос. ун-та. 2015. Т. 2. № 5. С. 127.Ге Ч., Фан Ж., Шен Л. и др. // Электрохимия. 2019. Т. 55. № 10. С. 1236. https://doi.org/10.1134/S0424857019080061Сморгонская Э.А., Звонарева Т.К., Иванова Е.И. и др. // Физика твердого тела. 2003. Т. 45. № 9. С. 1579.Li Y., Ni B., Li X. et al. // Nano-Micro Lett. 2019. V. 11. № 1. P. 60. https://doi.org/10.1007/s40820-019-0291-zXu D., Chen C., Xie J. et al. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. № 6. P. 1501929. https://doi.org/10.1002/aenm.201501929Li Z., Bommier C., Chong Z. Sen et al. // Adv. Energy Mater. 2017. V. 7. № 18. P. 1602894. https://doi.org/10.1002/aenm.201602894Zhu C., Mu X., van Aken P.A. et al. // Angew. Chem. 2014. V. 126. № 8. P. 2184. https://doi.org/10.1002/ange.201308354David L., Bhandavat R., Singh G. // ACS Nano. 2014. V. 8. № 2. P. 1759. https://doi.org/10.1021/nn406156bZeng L., Zhang L., Liu X. et al. // Polymers (Basel). 2020. V. 12. № 9. P. 2134. https://doi.org/10.3390/polym12092134Xie X., Makaryan T., Zhao M. et al. // Adv. Energy Mater. 2016. V. 6. № 5. P. 1. https://doi.org/10.1002/aenm.201502161Литвинская В.В., Хохлова Г.П., Кряжев Ю.Г. // Химия твердого топлива. 2003. Т. 2. С. 51.Sisu C., Iordanescu R., Stanciu V. et al. // Dig. J. Nanomater. Biostructures. 2016. V. 11. № 2. P. 435.Saenko N.S., Ziatdinov A.M. // Mater. Today Proc. 2018. V. 5. № 12. P. 26052. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.028Thommes M., Kohn R., Fruba M. // J. Phys. Chem. B. 2000. V. 104. № 33. P. 7932. https://doi.org/10.1021/jp994133mJagiello J., Thommes M. // Carbon. 2004. V. 42. № 7. P. 1227. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.01.022Thommes M., Kaneko K., Neimark A.V. et al. // Pure Appl. Chem. 2015. V. 87. № 9–10. P. 1051. https://doi.org/10.1515/pac-2014-1117Fujimoto H., Shiraishi M. // Carbon. 2001. V. 39. P. 1753. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00308-0Fujimoto H. // Carbon. 2003. V. 41. P. 1585. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(03)00116Boruah R.K., Saikia B.K., Baruah B.P. et al. // J. Appl. Crystallogr. 2008. V. 41. № 1. P. 27. https://doi.org/10.1107/S0021889807049655Biennier L., Georges R., Chandrasekaran V. et al. // Carbon. 2009. V. 47. № 14. P. 3295. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.07.050Biscoe J., Warren B.E. // J. Appl. Phys. 1942. V. 13. № 6. P. 364. https://doi.org/10.1063/1.1714879Oberlin A., Bonnamy S., Oshida K. // Tanso. 2006. V. 224. P. 281.Ziatdinov A.M., Saenko N.S., Skrylnik P.G. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. № 1. P. 133. https://doi.org/10.1134/S0036023620010210Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. // Adv. Phys. 1981. V. 30. № 2. P. 139. https://doi.org/10.1080/00018738100101367Xu K., Pan Q., Zheng F. et al. // Front. Chem. 2019. V. 7. P. 733. https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00733Bobyleva Z.V., Drozhzhin O.A., Dosaev K.A. et al. // Electrochim. Acta. 2020. V. 354. P. 136647. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.136647Zhao J., Zhao L., Chihara K. et al. // J. Power Sources. 2013. V. 244. P. 752. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.06.109Li Y., Zhang L., Wang X. et al. // Research. 2019. № 1. P. 1. https://doi.org/10.34133/2019/6930294Han J., Johnson I., Lu Z. et al. // Nano Lett. 2021. V. 21. № 15. P. 6504. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01595Yu P., Zhang W., Yang Y. et al. // J. Colloid Interface Sci. 2021. V. 582. P. 852. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2020.08.063