Investigation of the Nanoporous Structure of Thermally Modified Carbon Materials by Small-Angle X-ray Scattering

Editorial Board PCSS Journal; С.А. Лісовська; Н.Я. Іванічок; Б.І. Рачій; О.В. Шутак; Н.Р. Ільницький; О.І. Бульбук; Р.П. Лісовський

doi:10.15330/pcss.26.4.946-952

Автор(и)

С.А. Лісовська Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна; Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
Н.Я. Іванічок Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України, Київ, Україна; Спільна навчально-наукова лабораторія гамма-резонансної спектроскопії Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України та Карпатського національного університету імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Б.І. Рачій Карпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
О.В. Шутак Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
Н.Р. Ільницький Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
О.І. Бульбук Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
Р.П. Лісовський Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна; Спільна навчально-наукова лабораторія гамма-резонансної спектроскопії Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України та Карпатського національного університету імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.946-952

Ключові слова:

нанопористі вуглецеві матеріали, малокутове Х-променеве розсіяння, термічна модифікація, радіус гірації, метод Гіньє, метод Порода, фрактальна морфологія, мезопори, сорбційні властивості, електрохімічні конденсатори

Анотація

Досліджено нанопористу структуру термічно модифікованих вуглецевих матеріалів методом малокутового Х-променевого розсіяння (SAXS). Проведено аналіз кривих розсіяння у координатах Гіньє та Порода для вихідного та термічно активованих матеріалів при 400 °C протягом 30–240 хвилин. Встановлено, що термічна обробка протягом 150–180 хвилин сприяє формуванню мезопористої структури з радіусом гірації від 2,69 до 3,53 нм. Застосування методу Порода дозволило оцінити фрактальну морфологію поверхні, яка варіюється від гладкої до фрактальної. Отримані результати свідчать про можливість контрольованого регулювання пористості вуглецевих матеріалів для сорбційних та електрохімічних застосувань.

Посилання

G. Chen, Z. Hu, Z. Pan, D. Wang. Design of honeycomb-like hierarchically porous carbons with engineered mesoporosity for aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors applications. Journal of Energy Storage, 38, 102534 (2021); https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102534.

M.S. Soffian, F.Z.A. Halim, F. Aziz, M.A. Rahman, M.A. Mohamed Amin, D.N.A. Chee. Carbon-based material derived from biomass waste for wastewater treatment. Environmental Advances, 9, 100259 (2022); https://doi.org/10.1016/j.envadv.2022.100259.

P. Zhang, J. Wang, W. Fan, Y. Zhong, Y. Zhang, Q. Deng, Z. Zeng, S. Deng. Ultramicroporous carbons with extremely narrow pore size distribution via in-situ ionic activation for efficient gas-mixture separation. Chemical Engineering Journal, 375, 121931 (2019); https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.121931.

S. Stock, N. Kostoglou, J. Selinger, S. Spirk, C. Tampaxis, G. Charalambopoulou, T. Steriotis, C. Rebholz, C. Mitterer, O. Paris. Coffee Waste-Derived Nanoporous Carbons for Hydrogen Storage. ACS Applied Energy Materials, 5(9), 10915 (2022); https://doi.org/10.1021/acsaem.2c01573.

I. Matos, M. Bernardo, I. Fonseca. Porous carbon: A versatile material for catalysis. Catalysis Today, 285, 194 (2017); https://doi.org/10.1016/j.cattod.2017.01.039.

B. Yan, J. Zheng, L. Feng, Q. Zhang, C. Zhang, Y. Ding, J. Han, S. Jiang, S. He. Pore engineering: Structure-capacitance correlations for biomass-derived porous carbon materials. Materials & Design, 229, 111904 (2023); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111904.

D. Saurel, J. Segalini, M. Jauregui, A. Pendashteh, B. Daffos, P. Simon, M. Casas-Cabanas. A SAXS outlook on disordered carbonaceous materials for electrochemical energy storage. Energy Storage Materials, 21, 162 (2019); https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.05.007.

C.J. Jafta, A. Petzold, S. Risse, D. Clemens, D. Wallacher, G. Goerigk, M. Ballauff. Correlating pore size and shape to local disorder in microporous carbon. Carbon, 123, 440 (2017); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.07.046.

C. Prehal, C. Koczwara, N. Jäckel, H. Amenitsch, V. Presser, O. Paris. A carbon nanopore model to quantify structure and kinetics of ion electrosorption with in situ small-angle X-ray scattering. Physical Chemistry Chemical Physics, 19(23), 15549 (2017); https://doi.org/10.1039/c7cp00736a.

C. Prehal, S. Grätz, B. Krüner, M. Thommes, L. Borchardt, V. Presser, O. Paris. Comparing pore structure models of nanoporous carbons obtained from small angle X-ray scattering and gas adsorption. Carbon, 152, 416 (2019); https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.06.008.

S.A. Lisovska, R.V. Ilnytskyy, R.P. Lisovskyy, N.Ya. Ivanichok, Kh.V. Bandura, B.I. Rachiy. Structural and sorption properties of nanoporous carbon materials obtained from walnut shells. Physics and Chemistry of Solid State, 24 (2), 348 (2023); https://doi.org/10.15330/PCSS.24.2.348-353.

B.K. Ostafiychuk, N.Ya. Ivanichok, S-V.S. Sklepova, O.M. Ivanichok, V.O. Kotsyubynsky, P.I. Kolkovskyy, I.M. Budzulyak, R.P. Lisovskiy. Influence of plant biomass activation conditions on the structure and electrochemical properties of nanoporous carbon material. Materials Today: Proceedings, 62(9), 5712 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.486.

C.D. Putnam. Guinier peak analysis for visual and automated inspection of small-angle X-ray scattering data. Journal of Applied Crystallography, 49(5), 1412 (2016); https://doi.org/10.1107/S1600576716010906.

B.K. Ostafiychuk, et al. SAXS investigation of nanoporous structure of thermal-modified carbon materials. Nanoscale Research Letters, 9, 160 (2014); https://doi.org/10.1186/1556-276X-9-160.

Y. Starchuk, N. Ivanichok, I. Budzulyak, S. Sklepova, O. Popovych, P. Kolkovskyi, B. Rachiy. Electrochemical properties of nanoporous carbon material subjected to multiple chemical activation. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, 30(9), 936 (2022); https://doi.org/10.1080/1536383X.2022.2043285.