Giriş
arch Yenilikçi pil malzemeleri üzerine yapılan araştırmalar, mevcut baskın teknoloji olan lityum-iyon pillere alternatif veya tamamlayıcı çözümler bulma gerekliliğinden hareketle şu anda canlı bir alandır [1]. Bu teknoloji sürdürülebilirlik, hammadde bulunabilirliği ve enerji/güç performansları açısından sınırlamalara sahip olduğundan, bu zorlukların üstesinden gelen katot, anot ve elektrolit için yeni geliştirilen çeşitli malzemeler sürekli olarak önerilmektedir. Termoanalitik teknikler, daha önceki uygulama notlarında da gösterildiği gibi, elektrokimyasal enerji depolamayı desteklemede başarılı olabilirarch. Şimdiye kadar, standart lityum-iyon pil teknolojisi hakkında örnekler sunmaya odaklandık. [2, 3, 4]
Bu uygulama notunda, bu tekniklerin piller için yeni malzemelerin incelenmesini nasıl destekleyebileceğini göstereceğiz. Özellikle, kütle spektrometresi (TG-MS) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (TG-FT-IR) ile eşzamanlı olarak birleştirilmiş termogravimetrik analiz, MoO3:oktilamin molar oranı 1:1 olan organik bir molekül olan oktilaminin kristal yapısı içindeki boşluklara yerleştirilmesiyle modifiye edilmiş molibden trioksit (MoO3) örnekleri üzerinde gerçekleştirilmiştir [5]. Oktilamin, MoO3 ile yakın temas halinde olan bir karbon kaynağı sağlamak için yerleştirilmiştir (Şekil 1).
Bu inorganik malzemenin katot malzemesi olarak kullanılması amaçlanmıştır ve karbon, elektronların iletimini artırarak elektrokimyasal reaksiyonların destekleyicisi olarak hareket eder. Bu nedenle karbon, genellikle yarı iletken veya yalıtkan olan MoO3 gibi katmanlı oksitlerle yüksek performans elde etmek için faydalıdır. Organik molekülün yerleştirilmesinden sonra, modifiye edilmiş malzeme (MoOx-OA) bir PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz işlemine tabi tutulur ve bu işlem üzerine malzemede hangi değişikliklerin meydana geldiğini araştırmak için TG-MS ve TG-FT-IR kullanımı gerekliydi. Özellikle amaç, PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz sırasında karbon oluşup oluşmadığını ve bu karbon oluşumunun molibden oksit yapısını etkileyip etkilemediğini anlamaktır.
Ölçüm Koşulları
TG-MS ve TG-FT-IR analizleri, 10 K/dak ısıtma hızında argon akışı altında çalışan bir NETZSCH TG 209 F1 Libra® termal analiz cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık aralığı, yaklaşık 20 mg numune içeren açık Al2O3 potalarında 40°C ila 70°C arasında değişmiştir Kütle spektrometrik (MS) veriler, 10 - 300 m/z aralığında bir QMS 403 Aëolos® Quadro kütle spektrometresi kullanılarak toplanmıştır. Ayrıca, Fourier-transform kızılötesi (FT-IR) spektrumları, 4 cm-1 çözünürlükte 4500 ila 650 cm-1 aralığını kapsayan absorpsiyon modunda bir BRUKER Invenio spektrometresi kullanılarak elde edilmiştir.
Ölçüm Sonuçları
Bulgular, MoOx-OA'nın PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.piroliz sırasında üç önemli yapısal geçiş yaşadığını göstermektedir. Bu geçişler, gelişen gaz ürünlerin çeşitli sıcaklıklarda TG-MS ve TG-FT-IR ile analiz edilmesiyle kapsamlı bir şekilde aydınlatılabilir.
120°C ile 200°C arasındaki ilk aşamada (şekil 2'de sarı renkte), termogravimetrik sonuçlar gaz türlerinin salınımıyla aynı zamana denk gelen yaklaşık ağırlıkça %24'lük iki aşamalı bir kütle kaybına işaret etmektedir. TG-MS sonuçlarındaki m/z = 17 ve 18 sinyalleri, muhtemelen oktilamin ayrışmasından kaynaklanan yüzey su moleküllerinin ve amonyağın (NH3) desorpsiyonuna işaret etmektedir. M/z = 30 pikleri oktilamin iyonlaşmasının göstergesi olan [CH2NH2]+ iyonuna karşılık gelmektedir. Ek olarak, m/z = 28 hidrokarbonlara,CO2 veya N2'ye ve m/z = 44 hidrokarbonlara veyaCO2'ye atfedilebilir. Şekil 3'teki TG-FT-IR sonuçları, bu sıcaklık aralığındaCO2 ve NH3 izleri ile birlikte moleküler oktilamin ve suyun evrimini desteklemektedir (ayrıca bkz. Şekil 4a). Bu nedenle, ilk ara katman büzülmesinin birincil nedenleri, oktilamin ayrışmasının ilk başlangıcı ile birlikte gevşek bağlanmış oktilamin ve suyun BuharlaşmaBir elementin veya bileşiğin buharlaşması, sıvı fazdan buhara bir faz geçişidir. İki tür buharlaşma vardır: buharlaşma ve kaynama.buharlaşma yoluyla kaybıdır.
350°C'ye kadar olan ikinci aşama (şekil 2'de açık mavi renkte), TG ile tespit edilen ve m/z = 17, 18 ve 44'te eş zamanlı MS sinyallerinin eşlik ettiği yaklaşık ağırlıkça %43'lük birikmiş kütle kaybı ile karakterize edilir. Bu, su ve oktilamin bozunma ürünlerinin (NH3 ve hidrokarbon parçaları) daha fazla salındığını gösterir. 3000-2800 cm-1 aralığındaki FT-IR spektrumları hidrokarbonların evrimini doğrularken, 1500-650 cm-1 bölgesindeki belirsiz desen belirli bir moleküle atamayı engellemektedir (Şekil 4b). Aynı sıcaklık aralığındaki güçlü amonyak absorpsiyon desenleri oktilamin ayrışmasını doğrulamaktadır.
Son aşamada (şekil 2'de mor renkte), yaklaşık 650°C'nin üzerinde, ağırlıkça %58'lik bir kümülatif kütle kaybıyla birlikte bir kütle kaybı gözlenmektedir. Bu,CO2'ye atfedilen m/z = 44'teki bir MS sinyaline karşılık gelir ve oktilaminin ayrışmasından ürün olarak kalan karbonun neden olduğu MoO3 'ün MoO2 'ye karbotermik indirgenmesini gösterir. M/z = 28'deki bir başka güçlü pik hemCO2 hem de CO'ya atanabilir ve bu sıcaklıktaki FT-IR spektrumları bu iki gazın eşzamanlı varlığını doğrular (şekil 3 ve 4c).
Sonuç
Özetle, ısıtma işlemi sırasında, gevşek bağlı moleküler oktilaminin ve Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma ürünlerinin belirli kısımlarının, elementel karbona dönüşmeden önce ara katman boşluğundan salındığı gözlemlenmiştir. Ek olarak, 650°C'nin üzerinde oksitte belirgin bir karbotermik indirgeme meydana gelir; bu da yapısından oksijeni çıkararak molibden oksitin yapısını değiştirir. Pirolizden sonra karbon üretimi doğrulanmıştır, ancak oktilaminin bir kısmının buharlaşması/ayrışması bu karbon kaynağının önemli bir kısmını ortadan kaldırmıştır. Bu nedenle, sentez yolunu geliştirmeyi amaçlayan gelecekteki çabalar, daha güçlü bağlanmış ve/veya daha az uçucu organik moleküllerin kullanımına öncelik verebilir, çünkü artan karbon miktarı pil katot malzemesinin elektrokimyasal performansını artırabilir. Bununla birlikte, pirolizden sonra elde edilen malzeme, yüksek akımlarda ulaşılan kapasite ve pilin kendi kararlılığı açısından MoO3 referans örneğine göre pil katodu olarak daha iyi performans göstermiştir.
PirolizPiroliz, organik bileşiklerin inert bir atmosferde termal olarak ayrışmasıdır.Piroliz reaksiyonunun çeşitli aşamalarında belirli gazların oluşumunu tanımlamak ve/veya doğrulamak için TG-MS ve TG-FT-IR kombinasyonu gerekliydi.