Rafefnafræðilegur árangur HQ-FeHCF

Hágæða Fe4[Fe(CN)6]3 nanókubbar undirbúningur: Sem bakskautsefni fyrir vatnskennda natríumjónarafhlöðu

WANG Wu-Lian. Hágæða Fe4[Fe(CN)6]3 nanókubbar: Myndun og rafefnafræðileg frammistaða sem bakskautsefni fyrir vatnskennda natríumjónarafhlöðu. Journal of Inorganic Materials[J], 2019, 34(12): 1301-1308 doi:10.15541/jim20190076

Rafefnafræðilegt frammistöðupróf á hágæða Fe4[Fe(CN)6]3 nanókubbum

Fyrst var rafefnafræðileg frammistaða HQ-FeHCF og LQ-FeHCF í Na-H2O-PEG raflausn prófuð með því að nota þriggja rafskautakerfi. Mynd 4(a) sýnir hringlaga rafstraumferla HQ-FeHCF og LQ-FeHCF í Na-H2O-PEG raflausn með skannahraða 1 mV s-1. Það má greinilega sjá á myndinni að tvö pör af óháðum redoxtoppum komu fram í HQ-FeHCF, sem gefur til kynna að tvö redoxhvörf hafi átt sér stað, sem samsvarar afturkræfri innskot/afþræðingu tveggja Na plús. Fyrsta parið af redoxtoppum birtist við 0.03 og 0,28 V, sem samsvarar minnkun og oxun hásnúnings FeIII/FeII jóna sem tengjast kolefnisatómum. Annað par redox toppa birtist við 1,12 og 1,26 V, sem samsvarar minnkun og oxun á lágsnúnings FeIII/FeII jónum sem eru tengdar köfnunarefnisatómum. Við sama skannahraða eru CV ferlar LQ-FeHCF og HQ-FeHCF svipaðar.

Mynd 4(b) sýnir stöðugan straum hleðslu-útskriftarferla HQ-FeHCF og LQ-FeHCF við 1C (1C= 120 mA g-1) ​​hraða. Það sést greinilega á myndinni að HQ-FeHCF hefur tvær spennuhæðir á meðan á hleðslu og afhleðslu stendur, sem gefur til kynna að innsetningu/útdráttur Na plús sé lokið í tveimur skrefum. Þetta samsvarar tveimur pörum af redoxtoppum sem birtast á mynd 4(a). LQ-FeHCF sýnir svipaða hleðslu-losunarferla og HQ-FeHCF, en losunargeta þess er verulega minni en HQ-FeHCF.Mynd 4(c) sýnir hraðaframmistöðu HQ-FeHCF og LQ-FeHCF. Það má sjá á myndinni að sérstakur getu HQ-FeHCF við 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C og 40C hraða eru 124, 118, 105, 94, 83, 74 og 63 mAh·g, í sömu röð.} Það er athyglisvert að þegar farið er aftur í 1C aftur, náði afkastagetan sér aftur í 124 mAh·g-1, sem sýnir framúrskarandi hraðafköst. Það eru tvær ástæður fyrir því að HQ-FeHCF hefur svona góða frammistöðu: Í fyrsta lagi hefur HQ-FeHCF efnið sem er búið til með aðferðinni í þessari grein hágæða og fáa lausa galla, sem tryggir þannig skilvirkan flutning á Na plús. Í öðru lagi styttir stór rás uppbygging efnisins Na plús flutningsleiðina. Að auki er uppbygging HQ-FeHCF sem hægt er að mynda hægt með því að bæta við PVP mjög stöðug og háhraða hleðslu-útskriftarlotur munu ekki leiða til burðarhruns HQ-FeHCF, sem leiðir til niðurbrots rafefnafræðilegrar frammistöðu. Sérstök getu LQ-FeHCF við 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C og 40C hraða eru 112, 104, 81, 59, 35, 18 og 7 mAh·g-1, í sömu röð. Heildarafköst gengisins eru verri en HQ-FeHCF, sérstaklega á háu gengi, bilið er sérstaklega augljóst. Þetta er vegna þess að LQ-FeHCF hefur enga stöðuga uppbyggingu og það er mikill fjöldi [Fe(CN)6] lausagangsgalla og kristalvatns í kristal þess, sem hindrar afintercalation Na plús, sem leiðir til afar lítillar sérhæfðar getu LQ-FeHCF við mikla stækkun.

Mynd 4 (a) Cyclic voltammogram (CV) ferlar HQ-FeHCF og LQ-FeHCF á hraðanum 1 mV·s-1 í raflausn Na-H2O-PEG; (b) Hleðslu- og losunarferlar HQ-FeHCF og LQ-FeHCF við 1C; (c) Hraðaframmistöðu HQ-FeHCF og LQ-FeHCF; (d) Hjólreiðaframmistaða HQ-FeHCF og LQ-FeHCF

Stöðugleiki í hjólreiðum er mikilvægur breytur fyrir vatnskenndar Na-jón rafhlöður í hagnýtri notkun. Hjólreiðaframmistaða HQ-FeHCF og LQ-FeHCF við 5C hraða er sýnd á mynd 4(d). Losunargeta LQ-FeHCF í fyrstu lotu er 87 mAh·g-1, en afkastageta þess minnkar hratt með auknum lotutíma. Eftir 100 lotur var afkastagetuhlutfallið 61 prósent og eftir 500 lotur var afkastagetan aðeins 26 mAh·g-1, sem samsvarar 29,9 prósenta afkastagetuhlutfalli. HQ-FeHCF sýnir einstaklega framúrskarandi hringrásarstöðugleika. Eftir 100 lotur minnkaði afkastageta HQ-FeHCF ekki marktækt, viðheldur 100 prósenta getu varðveisluhlutfalli og afkastagetuhlutfallið var enn allt að 99,4 prósent fram að 500. lotunni.

Til að sannreyna enn frekar stöðugleika HQ-FeHCF í Na-H2O-PEG raflausn, voru rafskautin eftir 100 lotur og 500 lotur skoðaðar með SEM. Eins og sýnt er á mynd 5, er mynd 5(a~b) SEM mynd af HQ-FeHCF í Na-H2O-PEG raflausn eftir 100 sinnum stöðuga straumhleðslu og afhleðslu við 5C. Það má glöggt sjá á myndinni að hver HQ-FeHCF nanókubbaögn viðheldur mikilli heilleika, nánast engum skemmdum á byggingu og engum galla á yfirborði agna. Mynd 5(c~d) eru SEM myndir af HQ-FeHCF í Na-H2O-PEG raflausn eftir 500 stöðuga straumhleðslu og afhleðslu við 5C. Hver HQ-FeHCF nanocube ögn viðheldur einnig mikilli heilleika án nokkurrar aflögunar eða hruns. Stöngin eftir 500 lotur var látin fara í TG próf, eins og sýnt er á mynd 6. Kristöllunarvatnsinnihald HQ-FeHCF var 13 prósent, engin marktæk breyting miðað við fyrir hjólreiðar; kristalvatnsinnihald LQ-FeHCF var 20 prósent, sem er 2 prósenta aukning miðað við áður en hjólað var.

Mynd 5 SEM myndir af HQ-FeHCF eftir (ab)100 og (cd) 500 lotur

Mynd 6 TG ferlar HQ-FeHCF og LQ-FeHCF eftir 500 lotur

Fasaskiptakerfi HQ-FeHCF efnisins við rafefnafræðilega hvarfið var rannsakað með XRD tækni ex-situ. Mynd 7 sýnir XRD mynstur efnisins við mismunandi hleðslu- og afhleðsluástand, a~e eru hleðsluferlið, f~i eru losunarferlið og punktarnir eru merktir með Ti diffraction toppum. Með því að taka hópinn af dreifingartoppum í punktalínureitnum sem dæmi, sést greinilega á myndinni að XRD dreifingartopparnir breytast í þá átt að aukast 2θ meðan á ferli a~e stendur, úr 24,3 gráðum í 24,6 gráður. Þetta er vegna grindarsamdráttar af völdum Na plús útdráttar úr HQ-FeHCF meðan á hleðslu stendur. Rúmmálsbreyting einingaklefans meðan á þessu ferli stendur er um 8,1 prósent. Meðan á f~i ferli stendur, færist XRD diffraction toppurinn í átt að 2θ lækkun og fer aftur í 24,3 gráður. Þetta er vegna þess að Na plús sameinast aftur í HQ-FeHCF meðan á losunarferlinu stendur, sem veldur stækkun grindar. Rétt er að taka fram að staðsetningar a og i sveiflutoppa eru mjög saman. Þetta gefur til kynna að afintercalation Na plús í HQ-FeHCF efni sé mjög afturkræf og afturkræf afintercalation Na plús mun ekki eyðileggja kristalbyggingu efnisins. Það sýnir einnig að HQ-FeHCF hefur mikinn stöðugleika í Na-H2O-PEG raflausn.

Mynd 7 Ex situ XRD mynstur af HQ-FeHCF efni við ýmis hleðslu- og úthleðsluástand

NASICON-gerð NaTi2(PO4)3 hefur opna þrívíddarbyggingu sem hentar fyrir dreifingu natríumjóna. Þess vegna er NaTi2(PO4)3 ekki aðeins hægt að nota sem rafskautsefni fyrir lífrænar natríumjónarafhlöður, heldur einnig sem rafskautsefni fyrir vatnskenndar natríumjónarafhlöður. NaTi2(PO4)3 var útbúið með fyrri aðferð og rafefnafræðilegir eiginleikar þess í Na-H2O-PEG raflausn voru rannsakaðir með hringlaga rafstraummælingu (CV) og galvanóstatískri hleðslu-útskrift. Mynd 8(a) sýnir CV feril NaTi2(PO4)3 við skannahraða 1 mV s-1, með par af skörpum redoxtoppum við -0.64 og -0.79 V (á móti Ag / AgCl). Þetta samsvarar innbyrðis/útdrætti Na plús, ásamt afturkræfu umbreytingu milli Ti3 plús og Ti4 plús. Spennudreifing NaTi2(PO4)3 er sýnd á mynd 8(b). Flati losunarpallurinn við -0.69 V (á móti Ag/AgCl) gefur til kynna að NaTi2(PO4)3 sé gott rafskautsefni fyrir vatnskenndar natríumjónarafhlöður.

Mynd 8 (a) Cyclic voltammogram (CV) ferlar HQ-FeHCF og NaTi2(PO4) með hraðanum 1 mV·s-1 í raflausn Na-H2O-PEG; (b) Galvanóstatísk hleðslu-úthleðslusnið við 1C fyrir fulla frumu, bakskaut og rafskaut Na-H2O-PEG; (c) Afköst gengis og (d) hjólreiðaframmistöðu fullrar klefi

Góð rafefnafræðileg frammistaða byggt á HQ-FeHCF og NaTi2(PO4)3. Við settum saman vatnskennda natríumjóna rafhlöðu með HQ-FeHCF sem jákvæða rafskautið, NaTi2(PO4)3 sem neikvæða rafskautið og NaClO4-H2O-PEG sem raflausn. Mynd 8(b) sýnir spennuferla jákvæða rafskautsins, neikvæða rafskautsins og fullrar rafhlöðunnar á hraðanum 1C. Það má sjá á myndinni að vinnuspenna fullrar rafhlöðunnar er allt að 1,9 V. Há vinnuspenna er til þess fallin að bæta orkuþéttleika fullrar rafhlöðunnar og orkuþéttleiki fullrar rafhlöðunnar reiknaður út frá massa virka efnisins er allt að 126 Wh kg-1. Það fer yfir orkuþéttleika flestra áður tilkynntra vatnskenndra Na-jóna fullra frumna sem nota manganoxíð, fosfat og prússnesku bláu sem bakskautsefni. Sérstakur samanburður er sýndur í töflu 3. Eins og sýnt er á mynd 8(c), á hraðanum 1C, 2C, 5C, 10C, 20C og 30C, er afkastageta fullrar rafhlöðunnar 117, 113, 110, 86, 68 og 57 mAh, hver um sig, sem sýnir framúrskarandi afköst,{33·g}. Mynd 8(d) sýnir hringrásarframmistöðu fullrar rafhlöðunnar við 5C hraða. Í fyrstu 70 lotunum eykst afkastageta fullrar rafhlöðunnar lítillega og Coulombic skilvirkni eykst smám saman úr 96 prósentum í fyrstu lotunni í nærri 100 prósent. Í næstu 70 lotum fór afkastagetan að minnka hægt og rólega, þar til í 140. lotunni, var afkastagetuhlutfall fullrar rafhlöðunnar 92 prósent og Coulombic skilvirknin hélst nálægt 100 prósentum. Þrátt fyrir að hleðsluspenna fullrar rafhlöðunnar sé allt að 2 V, langt umfram fræðilega niðurbrotsspennu vatns (1,23 V), getur hún samt haldið mikilli Coulombic skilvirkni, sem sýnir kosti Na-H2O-PEG raflausnar í vatnskenndum Na-jón rafhlöðum.

Tafla 3 Orkuþéttleiki mismunandi vatnskenndra natríumjónarafhlöður

Niðurstaða

Í þessari rannsókn voru hágæða og lággölluð Fe4[Fe(CN)6]3 nanóefni framleidd með góðum árangri með einfaldri og þægilegri vatnshitaaðferð. XRD prófunarniðurstöðurnar sýna að efnið er andlitsmiðjuð kúbiksbygging (fcc) sem tilheyrir Fm-3m rúmpunktahópnum. SEM og TEM prófunarniðurstöður sýna að tilbúið Fe4[Fe(CN)6]3 hefur framúrskarandi kristöllun og efnið hefur dæmigerða teningsbyggingu með hliðarlengd um það bil 500 nm. Yfirborð efnisins er slétt og einsleitt án alvarlegrar uppsöfnunar. Samanborið við lággæða Fe4[Fe(CN)6]3 sem er búið til með hefðbundnum aðferðum. Fe4 [Fe (Cn) 6] 3, sem er samstilltur í þessari grein, getur í raun dregið úr lausum galla og stjórnað kristalvatninu í efninu, þannig að efnið hefur framúrskarandi rafefnafræðilega afköst: sértæk afkastageta við 1C hlutfall er allt að 124 mAh · g -1, og sértæk afkastageta við 2C, 5C, 10C, 20C, 30C og 40c og ​​40, 118, 118, 84, 84 og 64 og 64 og 84 og 64 og 60 og 40, eru 124, 118, 118, 94, 84 og 83 og 64 og 40 og 40, eru 124, 118, 11 “, 84, 84 og 83 og 6“ og 40 er 124, 118, 118, 9 “, 84, 83 og 64 og 40 og 40 er 124, 118, 118, 9“, 84, 83 og 64 og 40 og 40, eru 124, 118, 11 “, 84, 8“ og 64 og 64 og 60 og 40, eru 124, 11 “ MAH · g -1, hver um sig, sýnir framúrskarandi afköst. Eftir 500 lotur við 5C hraða er getuvarðhaldshlutfallið nálægt 100 prósentum, sem sýnir framúrskarandi hringrásarstöðugleika. Vinnuspenna fullrar rafhlöðunnar með Fe4[Fe(CN)6]3 og natríumtítanfosfati sem jákvæðu og neikvæðu rafskautunum er allt að 1,9 V og orkuþéttleiki getur náð 126 Wh kg-1. Eftir 140 sinnum stöðuga hleðslu og afhleðslu á 5C hraða, er full rafhlaða getu varðveisla hlutfall 92 prósent, og Coulombic skilvirkni er nálægt 100 prósent. Búist er við að Fe4[Fe(CN)6]3, sem er búið til með þessari umhverfisvænu og þægilegu aðferð, verði notað sem bakskautsefni fyrir vatnskenndar Na-jónarafhlöður.

Lærðu meira um natríumjón rafhlöðuefni fráAmoytob.