Pendahuluan
Penelitian tentang bahan baterai inovatif saat ini merupakan bidang yang dinamis, didorong oleh kebutuhan untuk menemukan solusi alternatif atau pelengkap untuk teknologi dominan saat ini, yaitu baterai lithium-ion [1]. Karena teknologi ini memiliki keterbatasan dalam hal keberlanjutan, ketersediaan bahan baku, dan kinerja energi/daya, berbagai bahan yang baru dikembangkan untuk katoda, anoda, dan elektrolit yang dapat mengatasi tantangan-tantangan ini terus diusulkan. Teknik termoanalisis dapat bekerja dengan baik dalam mendukung penelitian penyimpanan energi elektrokimia, seperti yang telah ditunjukkan dalam catatan aplikasi sebelumnya. Hingga saat ini, kami telah berfokus untuk menyajikan contoh tentang teknologi baterai lithium-ion standar. [2, 3, 4]
Dalam catatan aplikasi ini, kami akan menunjukkan bagaimana teknik-teknik ini juga dapat mendukung studi tentang material baru untuk baterai. Secara khusus, analisis termogravimetri secara bersamaan digabungkan dengan spektrometer massa (TG-MS) dan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (TG-FT-IR) dilakukan pada sampel molibdenum trioksida (MoO3) yang dimodifikasi dengan penyisipan, di dalam ruang di dalam struktur kristalnya, oktilamina, sebuah molekul organik, dengan rasio molar MoO3: oktilamina sebesar 1:1 [5]. Octylamine disisipkan untuk menyediakan sumber karbon yang bersentuhan langsung dengan MoO3 (gambar 1).
Bahan anorganik ini dimaksudkan untuk digunakan sebagai bahan katoda, dan karbon bertindak sebagai promotor reaksi elektrokimia dengan meningkatkan konduksi elektron. Oleh karena itu, karbon bermanfaat untuk mencapai performa tinggi dengan oksida berlapis seperti MoO3, yang sering kali merupakan semikonduktor atau isolator. Setelah penyisipan molekul organik, bahan yang dimodifikasi (MoOx-OA) tunduk pada proses PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis, dan penggunaan TG-MS dan TG-FT-IR diperlukan untuk menyelidiki perubahan apa yang terjadi pada bahan setelah perlakuan ini. Secara khusus, tujuannya adalah untuk memahami apakah karbon terbentuk selama PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis, dan apakah pembentukan karbon ini mempengaruhi struktur molibdenum oksida.
Kondisi Pengukuran
Analisis TG-MS dan TG-FT-IR dilakukan dengan menggunakan alat analisis termal NETZSCH TG 209 F1 Libra® yang beroperasi di bawah aliran argon dengan laju pemanasan 10 K/menit. Kisaran suhu berkisar antara 40°C hingga 70°C dalam krusibel Al2O3 terbuka yang berisi sekitar 20 mg sampel Data spektrometri massa (MS) dikumpulkan dengan menggunakan spektrometer massa QMS 403 Aëolos® Quadro dalam rentang 10-300 m/z. Selain itu, spektrum Fourier-transform inframerah (FT-IR) diperoleh dengan menggunakan spektrometer BRUKER Invenio dalam mode serapan, yang mencakup kisaran 4500 hingga 650 cm-1 pada resolusi 4 cm-1.
Hasil Pengukuran
Temuan ini menunjukkan bahwa MoOx-OA mengalami tiga transisi struktural yang signifikan selama PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis. Transisi ini dapat dijelaskan secara komprehensif dengan menganalisis produk gas yang berkembang melalui TG-MS dan TG-FT-IR pada berbagai suhu.
Pada tahap pertama antara 120°C dan 200°C (warna kuning pada gambar 2), hasil termogravimetri menunjukkan kehilangan massa dua langkah sekitar 24 wt%, bertepatan dengan pelepasan spesies gas. Sinyal m/z = 17 dan 18 pada hasil TG-MS menyiratkan desorpsi molekul air permukaan dan amonia (NH3), yang mungkin berasal dari dekomposisi oktilamina. Puncak m/z = 30 berhubungan dengan ion [CH2NH2]+, yang mengindikasikan ionisasi oktilamina. Selain itu, m/z = 28 dapat dikaitkan dengan hidrokarbon,CO2, atau N2, dan m/z = 44 dengan hidrokarbon atauCO2. Hasil TG-FT-IR pada gambar 3 mendukung evolusi molekul oktilamina dan air, bersama dengan jejakCO2 dan NH3 pada kisaran suhu ini (lihat juga gambar 4a). Oleh karena itu, penyebab utama penyusutan interlayer awal adalah hilangnya oktilamina dan air yang terikat secara longgar melalui PenguapanPenguapan suatu unsur atau senyawa adalah transisi fase dari fase cair ke uap. Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.penguapan, bersamaan dengan permulaan awal Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian oktilamina.
Tahap kedua hingga 350°C (berwarna biru muda pada gambar 2) ditandai dengan akumulasi kehilangan massa sekitar 43% berat, terdeteksi oleh TG dan disertai dengan sinyal MS secara simultan pada m/z = 17, 18, dan 44. Hal ini mengindikasikan pelepasan lebih lanjut dari air dan produk dekomposisi oktilamina (NH3 dan fragmen hidrokarbon). Spektrum FT-IR pada kisaran 3000 - 2800 cm-1 mengkonfirmasi evolusi hidrokarbon, sedangkan pola ambigu pada daerah 1500 - 650 cm-1 mencegah penugasan ke molekul tertentu (gambar 4b). Pola Proses PenyerapanPenyerapan adalah proses fisika dan kimia di mana suatu zat (biasanya gas atau cairan) terakumulasi di dalam fase lain atau pada batas fase dua fase. Tergantung pada tempat akumulasi, ada perbedaan antara absorpsi (akumulasi dalam fase) dan adsorpsi (akumulasi pada batas fase).penyerapan amonia yang kuat pada kisaran suhu yang sama mengkonfirmasi dekomposisi oktilamina.
Pada tahap akhir (dalam warna ungu pada gambar 2), kehilangan massa diamati di atas sekitar 650 ° C, dengan kehilangan massa kumulatif sebesar 58% berat. Hal ini sesuai dengan sinyal MS pada m/z = 44, yang dikaitkan denganCO2, yang mengindikasikan reduksi karbotermik MoO3 menjadi MoO2 yang disebabkan oleh karbon yang tersisa sebagai produk dari dekomposisi oktilamina. Puncak kuat lainnya pada m/z = 28 dapat dikaitkan denganCO2 dan CO, dan spektrum FT-IR pada suhu ini mengkonfirmasi keberadaan simultan dari kedua gas ini (gambar 3 dan 4c).
Kesimpulan
Singkatnya, diamati bahwa selama proses pemanasan, bagian-bagian tertentu dari molekul oktilamina yang terikat secara longgar dan produk penguraiannya dilepaskan dari ruang interlayer sebelum mengalami konversi menjadi unsur karbon. Selain itu, reduksi karbotermik yang nyata dari oksida terjadi di atas 650°C; hal ini memodifikasi struktur oksida molibdenum dengan menghilangkan oksigen dari strukturnya. Produksi karbon setelah PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis telah dikonfirmasi, tetapi PenguapanPenguapan suatu unsur atau senyawa adalah transisi fase dari fase cair ke uap. Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.penguapan/Reaksi penguraianReaksi penguraian adalah reaksi yang diinduksi secara termal dari senyawa kimia yang membentuk produk padat dan/atau gas. penguraian sebagian oktilamina menghilangkan sebagian besar sumber karbon ini. Oleh karena itu, upaya di masa depan yang bertujuan untuk meningkatkan rute sintesis dapat memprioritaskan pemanfaatan molekul organik yang lebih kuat dan/atau kurang mudah menguap, karena peningkatan jumlah karbon dapat meningkatkan kinerja elektrokimia bahan katoda baterai. Namun demikian, bahan yang dihasilkan setelah PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis bernasib lebih baik sebagai katoda baterai daripada sampel referensi MoO3 dalam hal kapasitas yang dicapai pada arus tinggi dan stabilitas baterai itu sendiri.
Kombinasi TG-MS dan TG-FT-IR diperlukan untuk mengidentifikasi dan/atau mengonfirmasi pembentukan gas tertentu dalam berbagai langkah reaksi PirolisisPirolisis adalah penguraian termal senyawa organik dalam atmosfer inert.pirolisis.