Introdução
A pesquisaarch sobre materiais inovadores para baterias é atualmente um campo vibrante, impulsionado pela necessidade de encontrar soluções alternativas ou complementares para a tecnologia dominante atual, ou seja, baterias de íon-lítio [1]. Como essa tecnologia tem limitações em termos de sustentabilidade, disponibilidade de matérias-primas e desempenho de energia/potência, uma variedade de materiais recém-desenvolvidos para o cátodo, o ânodo e o eletrólito que enfrentam esses desafios está sendo continuamente proposta. As técnicas termoanalíticas podem ter um bom desempenho no suporte ao armazenamento eletroquímico de energia research, conforme já demonstrado em notas de aplicação anteriores. Até agora, concentramo-nos em apresentar exemplos sobre a tecnologia padrão de baterias de íons de lítio. [2, 3, 4]
Nesta nota de aplicação, mostraremos como essas técnicas também podem apoiar o estudo de novos materiais para baterias. Especificamente, a análise termogravimétrica acoplada simultaneamente a um espectrômetro de massa (TG-MS) e à espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (TG-FT-IR) foi realizada em amostras de trióxido de molibdênio (MoO3) modificadas pela inserção, nos espaços dentro de sua estrutura cristalina, de octilamina, uma molécula orgânica, com uma proporção molar de MoO3:octilamina de 1:1 [5]. A octilamina é inserida para fornecer uma fonte de carbono que está em contato íntimo com o MoO3 (figura 1).
Esse material inorgânico deve ser usado como um material catódico, e o carbono atua como um promotor das reações eletroquímicas, aumentando a condução de elétrons. Portanto, o carbono é benéfico para obter alto desempenho com óxidos em camadas, como o MoO3, que geralmente são semicondutores ou isolantes. Após a inserção da molécula orgânica, o material modificado (MoOx-OA) é submetido a um processo de PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise, e o uso de TG-MS e TG-FT-IR foi necessário para investigar quais mudanças ocorrem no material após esse tratamento. Em particular, o objetivo é entender se o carbono é formado durante a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise e se essa formação de carbono afeta a estrutura do óxido de molibdênio.
Condições de medição
As análises TG-MS e TG-FT-IR foram realizadas com um analisador térmico NETZSCH TG 209 F1 Libra® , operando sob fluxo de argônio a uma taxa de aquecimento de 10 K/min. A faixa de temperatura variou de 40 °C a 70 °C em cadinhos abertos de Al2O3 contendo aproximadamente 20 mg da amostra Os dados de espectrometria de massa (MS) foram coletados usando um espectrômetro de massa QMS 403 Aëolos® Quadro na faixa de 10 a 300 m/z. Além disso, os espectros de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) foram obtidos usando um espectrômetro BRUKER Invenio no modo de absorção, abrangendo a faixa de 4500 a 650 cm-1 com uma resolução de 4 cm-1.
Resultados da medição
As descobertas sugerem que o MoOx-OA passa por três transições estruturais significativas durante a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise. Essas transições podem ser elucidadas de forma abrangente pela análise dos produtos gasosos em evolução por meio de TG-MS e TG-FT-IR em várias temperaturas.
Em um primeiro estágio entre 120°C e 200°C (em amarelo na figura 2), os resultados termogravimétricos indicam uma perda de massa em duas etapas de aproximadamente 24% em peso, coincidindo com a liberação de espécies gasosas. Os sinais m/z = 17 e 18 nos resultados de TG-MS implicam a dessorção de moléculas de água da superfície e amônia (NH3), possivelmente originadas da Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição da octilamina. Os picos de m/z = 30 correspondem ao íon [CH2NH2]+, indicativo da ionização da octilamina. Além disso, m/z = 28 pode ser atribuído a hidrocarbonetos,CO2 ou N2, e m/z = 44 a hidrocarbonetos ouCO2. Os resultados de TG-FT-IR na figura 3 confirmam a evolução da octilamina molecular e da água, juntamente com traços deCO2 e NH3 nessa faixa de temperatura (consulte também a figura 4a). Portanto, as principais causas do encolhimento inicial da intercamada são a perda de octilamina e água frouxamente ligadas por evaporação, juntamente com o início da Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição da octilamina.
Um segundo estágio até 350°C (em azul claro na figura 2) é caracterizado por uma perda de massa acumulada de aproximadamente 43% em peso, detectada por TG e acompanhada por sinais MS simultâneos em m/z = 17, 18 e 44. Isso indica maior liberação de água e produtos de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição de octilamina (NH3 e fragmentos de hidrocarbonetos). Os espectros de FT-IR na faixa de 3000 a 2800 cm-1 confirmam a evolução dos hidrocarbonetos, enquanto o padrão ambíguo na região de 1500 a 650 cm-1 impede a atribuição a uma molécula específica (Figura 4b). Os fortes padrões de absorção de amônia na mesma faixa de temperatura confirmam a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição da octilamina.
No estágio final (em violeta na figura 2), observa-se uma perda de massa acima de aproximadamente 650°C, com uma perda de massa cumulativa de 58% em peso. Isso corresponde a um sinal MS em m/z = 44, atribuído aoCO2, indicando a redução carbotérmica de MoO3 a MoO2 causada pelo carbono deixado como produto da decomposição da octilamina. Outro pico forte em m/z = 28 pode ser atribuído aoCO2 e ao CO, e os espectros de FT-IR nessa temperatura confirmam a presença simultânea desses dois gases (figuras 3 e 4c).
Conclusão
Em resumo, observou-se que, durante o processo de aquecimento, certas porções da octilamina molecular frouxamente ligada e seus produtos de decomposição são liberados do espaço entre camadas antes de sofrerem conversão em carbono elementar. Além disso, ocorre uma redução carbotérmica acentuada do óxido acima de 650°C; isso modifica a estrutura do óxido de molibdênio, removendo o oxigênio de sua estrutura. A produção de carbono após a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise foi confirmada, mas a evaporação/decomposição de uma parte da octilamina removeu uma parte substancial dessa fonte de carbono. Portanto, os esforços futuros destinados a aprimorar a rota de síntese podem priorizar a utilização de moléculas orgânicas mais fortemente ligadas e/ou menos voláteis, uma vez que uma quantidade maior de carbono pode melhorar o desempenho eletroquímico do material do cátodo da bateria. No entanto, o material resultante após a PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise se saiu melhor como cátodo da bateria do que a amostra de referência de MoO3 em termos da capacidade alcançada em altas correntes e da estabilidade da própria bateria.
A combinação de TG-MS e TG-FT-IR foi necessária para identificar e/ou confirmar a formação de determinados gases nas várias etapas da reação de PiróliseA pirólise é a decomposição térmica de compostos orgânicos em uma atmosfera inerte.pirólise.