Bevezetés
Az innovatív akkumulátor-anyagok kutatása jelenleg élénk terület, amelyet az a szükségszerűség vezérel, hogy alternatív vagy kiegészítő megoldásokat találjunk a jelenleg domináns technológiára, azaz a lítium-ion akkumulátorokra [1]. Mivel ez a technológia a fenntarthatóság, a nyersanyagok elérhetősége és az energia/teljesítmény teljesítménye tekintetében korlátokba ütközik, folyamatosan számos újonnan kifejlesztett katód-, anód- és elektrolit-anyagot javasolnak, amelyek kezelik ezeket a kihívásokat. A termoanalitikai technikák jól alkalmazhatók az elektrokémiai energiatárolási kutatások támogatásában, amint azt már korábbi alkalmazási jegyzetek is bizonyították. Eddig a standard lítium-ion akkumulátor technológiára vonatkozó példák bemutatására összpontosítottunk. [2, 3, 4]
Ebben az alkalmazási jegyzetben bemutatjuk, hogy ezek a technikák hogyan támogathatják az akkumulátorok újszerű anyagainak vizsgálatát is. Konkrétan, tömegspektrométerrel (TG-MS) és Fourier-transzformációs infravörös spektroszkópiával (TG-FT-IR) egyidejűleg végzett termogravimetriai analízist végeztünk molibdén-trioxid (MoO3) mintákon, amelyeket úgy módosítottunk, hogy a kristályszerkezetén belüli terekbe egy szerves molekula, az oktilamin került, a MoO3:oktilamin 1:1 moláris arányban [5]. Az oktilamin beillesztése a MoO3-mal bensőséges kapcsolatban lévő szénforrást biztosít (1. ábra).
Ezt a szervetlen anyagot katódanyagként kell használni, és a szén az elektronok vezetésének fokozásával az elektrokémiai reakciók elősegítőjeként működik. Ezért a szén előnyös a nagy teljesítmény eléréséhez olyan réteges oxidokkal, mint a MoO3, amelyek gyakran félvezetők vagy szigetelők. A szerves molekula beillesztése után a módosított anyagot (MoOx-OA) pirolízisnek vetik alá, és TG-MS és TG-FT-IR segítségével meg kellett vizsgálni, hogy milyen változások következnek be az anyagban e kezelés hatására. A cél különösen annak megértése, hogy a PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis során keletkezik-e szén, és hogy ez a szénképződés befolyásolja-e a molibdén-oxid szerkezetét.
Mérési feltételek
A TG-MS és a TG-FT-IR elemzéseket egy NETZSCH TG 209 F1 Libra® termikus analizátorral végeztük, amely argon áramlás mellett, 10 K/perc fűtési sebességgel működött. A hőmérséklet-tartomány 40°C és 70°C között volt, nyitott Al2O3 tégelyekben, amelyek körülbelül 20 mg mintát tartalmaztak Tömegspektrometriai (MS) adatokat gyűjtöttünk egy QMS 403 Aëolos® Quadro tömegspektrométerrel a 10-300 m/z tartományban. Ezenkívül Fourier-transzformált infravörös (FT-IR) spektrumokat nyertünk BRUKER Invenio spektrométerrel abszorpciós üzemmódban, a 4500-650 cm-1 tartományt lefedve 4 cm-1 felbontással.
Mérési eredmények
Az eredmények arra utalnak, hogy a MoOx-OA három jelentős szerkezeti átalakuláson megy keresztül a PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis során. Ezek az átmenetek átfogóan megvilágíthatók a fejlődő gáznemű termékek TG-MS és TG-FT-IR segítségével történő elemzésével különböző hőmérsékleteken.
A 120°C és 200°C közötti első szakaszban (a 2. ábrán sárga színnel) a termogravimetriás eredmények kétlépcsős, körülbelül 24 tömegszázalékos tömegveszteséget jeleznek, ami egybeesik a gáznemű fajok felszabadulásával. A TG-MS eredményekben az m/z = 17 és 18 jelek a felületi vízmolekulák és ammónia (NH3) deszorpciójára utalnak, amelyek valószínűleg az oktilamin Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásából származnak. Az m/z = 30 csúcsok az [CH2NH2]+ ionnak felelnek meg, ami az oktilamin ionizációjára utal. Ezenkívül az m/z = 28 szénhidrogéneknek,CO2-nek vagy N2-nek, az m/z = 44 pedig szénhidrogéneknek vagyCO2-nek tulajdonítható. A 3. ábrán látható TG-FT-IR eredmények alátámasztják a molekuláris oktilamin és víz, valamint nyomokbanCO2 és NH3 kialakulását ebben a hőmérséklettartományban (lásd még a 4a. ábrát). Ezért a kezdeti rétegközi zsugorodás elsődleges okai a lazán kötött oktilamin és a víz párolgás útján történő elvesztése, valamint az oktilamin kezdeti Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásának kezdete.
A második, 350 °C-ig tartó szakasz (a 2. ábrán világoskék színnel) körülbelül 43 tömegszázalékos halmozott tömegveszteséggel jellemezhető, amelyet TG-vel detektáltak, és egyidejű MS jelek kísérnek az m/z = 17, 18 és 44 m/z-nél. Ez a víz és az oktilamin bomlástermékek (NH3 és szénhidrogén fragmentumok) további felszabadulását jelzi. A 3000 - 2800 cm-1 tartományban az FT-IR spektrumok megerősítik a szénhidrogének fejlődését, míg az 1500 - 650 cm-1 tartományban a kétértelmű mintázat megakadályozza a konkrét molekulához rendelést (4b. ábra). Ugyanebben a hőmérséklettartományban az erős ammóniaelnyelési mintázatok az oktilamin Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlását igazolják.
A végső szakaszban (a 2. ábrán ibolyaszínben) körülbelül 650 °C felett tömegveszteség figyelhető meg, 58 tömegszázalékos kumulatív tömegveszteséggel. Ez megfelel aCO2-nak tulajdonított m/z = 44-es MS-jelnek, ami a MoO3MoO2-vá történő karbotermikus redukciójára utal, amelyet az oktil-amin Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlásából származó termékként visszamaradt szén okoz. Egy másik erős csúcs az m/z = 28-nál aCO2-nak és a CO-nak is tulajdonítható, és az FT-IR spektrumok ezen a hőmérsékleten megerősítik e két gáz egyidejű jelenlétét (3. és 4c. ábra).
Következtetés
Összefoglalva, megfigyelték, hogy a fűtési folyamat során a lazán kötött molekuláris oktilamin és bomlástermékeinek bizonyos részei felszabadulnak a rétegek közötti térből, mielőtt elemi szénné alakulnának. Ezenkívül 650 °C felett az oxid kifejezett karbotermikus redukciója következik be; ez módosítja a molibdén-oxid szerkezetét azáltal, hogy oxigént távolít el a szerkezetéből. A pirolízist követően a szén keletkezése megerősítést nyert, de az oktilamin egy részének elpárolgása/bomlása eltávolította e szénforrás jelentős részét. Ezért a szintézisútvonal továbbfejlesztésére irányuló jövőbeli erőfeszítések előnyben részesíthetik az erősebben kötött és/vagy kevésbé illékony szerves molekulák felhasználását, mivel a megnövelt szénmennyiség javíthatja az akkumulátor katódanyagának elektrokémiai teljesítményét. Mindazonáltal a PirolízisA pirolízis szerves vegyületek termikus bomlása inert atmoszférában.pirolízis után kapott anyag a nagy áramokon elért kapacitás és magának az akkumulátornak a stabilitása szempontjából jobban teljesített akkumulátor-katódként, mint a MoO3 referenciaminta.
A TG-MS és a TG-FT-IR kombinációjára azért volt szükség, hogy a pirolízisreakció különböző lépéseiben bizonyos gázok képződését a Identify és/vagy megerősítsük.