University of Oulu

Multi-dimensional carbonaceous composites for electrode applications

Saved in:
Author: Lin, Jhih-Fong
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 5.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526208459
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-06-15
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 25 June 2015, at 12 noon
Tutor: Professor Krisztian Kordas
Reviewer: Professor Thomas Wågberg
Doctor Tanja Kallio
Description:

Abstract

The objective of this thesis is to demonstrate multi-dimensional carbon nanotube (CNT) structures in combination with various active materials in order to evaluate their performance in electrode applications such as cold emitters, electric double-layer capacitors (EDLC), and electrochemical sensor/catalyst devices.

As the host materials for other active materials, the construction of multi-dimensional CNT nanostructures in this thesis is achieved by two different approaches. In the first, direct growth of 3-dimensional carbon nanostructures by catalytic chemical deposition to produce filamentary carbon as well as vertically aligned forests was applied. The second route that was utilized encompassed the immobilization of CNTs from dispersions to form 2-dimensional surface coatings as well as self-supporting porous buckypapers. Carbonaceous nanocomposites of the active materials are obtained by a number of different methods such as (i) growing nanotubes and filamentous structures on porous Ni catalyst structures, (ii) impregnating CNTs with organic receptor molecules or with Pd nanoparticles, (iii) plating and replacing Cu with Pd on the nanotubes by chemical and galvanic reactions, (iv) annealing W evaporated on CNTs to form CNT-WC composites in solid-solid reactions and (v) reacting S vapor with W coated on CNTs to synthesize CNT-WS2 edge-on lamellar structures of the dichalcogenide in the vertically aligned CNT forests.

The 3-dimensional carbon-Raney®Ni composite electrodes show reasonable specific capacitance of ~12 F·g-1 in electric double-layer capacitors as well as a low turn-on field (<1.0 V·µm-1) in field emitter devices. CNT-Nafion®-trifluoroacetylazobenzene coatings on glassy carbon electrodes outperform their Nafion®-trifluoroacetylazobenzene counterparts in electrochemical sensing of different amine compounds (e.g. 10 mM cadaverine, putrescine or ammonia). Cu and CuPd/buckypaper composites display catalytic activity in electrocatalytic oxidation of methanol in alkaline media. On the other hand, nanocomposites of WC and WS2 with aligned CNT forest exhibit a promising performance in hydrogen evolution reactions with an overpotential between -0.5 and -0.7 V at pH~1. In addition, these respective CNT forest aligned nanocomposites also demonstrate a novel method to obtain macroscopic 3-dimensional catalytic electrode assemblies.

The results in this thesis elucidate the combination of carbon based nanostructures with organic and inorganic materials as a feasible and versatile approach to produce electrodes for several applications. The following studies of each active carbonaceous composite are expected to boost the technological innovation in relevant fields and initiate further development for commercial exploitation.


Tiivistelmä

Työn tavoitteena oli demonstroida moniulotteisia hiilinanoputkirakenteita (CNT), joihin yhdistetään erilaisia aktiivisia materiaaleja sekä arvioida niiden suorituskykyä elektrodisovelluksissa, kuten kenttäemitterissä, sähköisissä kaksoiskerroskondensaattoreissa ja sähkökemiallisissa anturi- ja katalyyttikomponenteissa.

Moniulotteisten CNT-nanorakenteiden konstruoiminen muiden aktiivisten materiaalien isäntämateriaaliksi toteutettiin kahdella tavalla. Ensimmäisessä toteutuksessa sovellettiin katalyyttis-kemiallista pinnoitusta, jolla kasvatettiin suoraan kolmiulotteisia hiilinanorakenteita sekä kuitumaisena hiilenä että pystysuuntaan orientoituneina hiilinanoputkimetsinä. Toinen päämenetelmä oli hiilinanoputkien immobilisointi dispersioista kaksiulotteisiksi pinnoitteiksi ja itsetukeutuviksi huokoisiksi hiilinanoputkipapereiksi. Hiiltä sisältäviä aktiivisten materiaalien nanokomposiitteja valmistettiin useilla menetelmillä, kuten (i) kasvattamalla nanoputkia ja kuitumaisia rakenteita huokoisiin Ni-katalyyttirakenteisiin, (ii) kyllästämällä hiilinanoputkia orgaanisilla reseptorimolekyyleillä tai Pd-nanopartikkeleilla, (iii) pinnoittamalla ja korvaamalla nanoputkien päällä olevaa kuparia palladiumilla kemiallisten ja galvaanisten reaktioiden avulla, (iv) hehkuttamalla hiilinanoputkien pinnalle höyrystettyä wolframia (W) muodostamaan CNT-WC-komposiitteja kiinteä–kiinteä-reaktiolla sekä (v) antamalla rikkihöyryn reagoida W-pinnoitettujen hiilinanoputkien kanssa lamellaaristen CNT-WS2-kalkogenidirakenteiden syntetisoimiseksi pystysuuntaan orientoituneisiin CNT-metsiin.

Kolmiulotteisilla hiili–Raney®Ni-komposiittielektrodeilla saavutetaan kohtuullinen ominaiskapasitanssi (~12 F·g-1) sähköisissä kaksoiskerroskondensaattoreissa ja pieni kytkeytymiskenttä (<1,0 V·μm-1) kenttäemitterikomponenteissa. CNT-Nafion®-trifluoroasetyyliatsobentseeni-pinnoitteet lasimaisilla hiilielektrodeilla ovat selvästi parempia erilaisten amiiniyhdisteiden (esimerkiksi 10 mM kadaveriini, putreskiini tai ammoniakki) sähkökemiallisessa havaitsemisessa kuin vastaavat Nafion®-trifluoroasetyyliatsobentseeni-pinnoitteet. Cu- ja CuPd-hiilinanoputkipaperikomposiitit osoittavat katalyyttistä aktiivisuutta metanolin sähkökatalyyttisessä hapettumisessa emäksisessä väliaineessa. Toisaalta WC- ja WS2-yhdisteiden ja orientoituneiden CNT-metsien muodostamat nanokomposiitit osoittavat lupaavaa suorituskykyä vedynmuodostamisreaktiossa -0,5…-0,7 V ylipotentiaalilla, ja nämä myös demonstroivat uutta menetelmää makroskooppisten kolmiulotteisten katalyyttisten elektrodirakenteiden toteuttamiseksi.

Väitöskirjan tulokset osoittavat, että hiilipohjaisten nanorakenteiden ja orgaanisten/epäorgaanisten materiaalien yhdistäminen on toteuttamiskelpoinen ja monipuolinen lähestymistapa elektrodien valmistamiseksi useisiin sovelluksiin. Kunkin työssä esitetyn aktiivista hiiltä sisältävän komposiitin tutkimuksen odotetaan lisäävän kyseisen alan teknisiä innovaatioita ja synnyttävän lisää kehitystyötä tutkimuksen kaupalliseksi soveltamiseksi.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0845-9
ISBN Print: 978-952-62-0844-2
Issue: 534
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.