سنتز فوم نیکل-اکسیدنیکل به روش الکتروشیمیایی و کاربرد آن در ابرخازن

محورهای موضوعی : سنتز مواد

مجید میرزایی ¹ (دانشگاه تهران- پردیسدانشکده های فنی- دانشکده مهندسی مواد و متالورژی)
چنگیز دهقانیان ² (دانشگاه تهران- پردیس دانشکده فنی- دانشکده مهندسی مواد و متالورژی)

تاریخ دریافت : 1397/02/27 تاریخ پذیرش : 1398/05/15 تاریخ انتشار : 1398/06/01

کلید واژه: روش الکتروشیمیایی, فوم Ni-NiO, ابرخازن, فیلم متخلخل, الگوی حباب هیدروژن,

چکیده مقاله :

این مقاله قابلیت کاربرد فوم نیکل-اکسید نیکل را به عنوان جمع کننده ی جریان برای ابرخازن بررسی می کند. فوم Ni-NiO با یک روش ساده ی آلیاژ زدایی (واکنش جابجایی گالوانیک) ایجاد شد که در طی آن مس از فوم Ni-Cu زدوده شد و در طی عملیات حرارتی فوم Ni-NiO حاصل شد. مشخصه یابی کامل شامل مشخصه یابی های آنالیزی، ساختاری، شیمیایی و الکتروشیمیایی برای فوم مورد نظر انجام می شود. این مشخصه یابی ها با استفاده از XRD، SEM، امپدانس الکتروشیمیایی و تست شارژ و دشارژ انجام می شود. نتایج XRD حضور فازهای نیکل و اکسید نیکل را تایید می کند. همچنین در تست SEM وجود تخلخل های در گستره ی میکرو و دندریت های در گستره ی نانو مشاهده شد . فوم حاصله در محلول KOH M1، ظرفیت خازنی F/g 924 در دانسیته جریان A/g 1 را دارا بود. علاوه بر این سیکل پذیری این الکترود نیز مناسب بود، به طوری که بعد از 3000 سیکل در دانسیته جریان A/g20، 8/81% ظرفیت خود را حفظ کرده است. الکترود فوم ایجاد شده می تواند به عنوان بستر جریان برای رسوب نشانی لایه های بعدی مورد استفاده قرار بگیرد و کاندیدایی برای استفاده در ابرخازن باشد.

چکیده انگلیسی:

This paper investigates the applicability of nickel-nickel oxide metallic foams as a current collector for supercapacitor. A simple galvanic displacement reaction was employed to fabricate dendritic Cu dealloyed nanoporous Ni-NiO foam. A comprehensive characterization of foams are presented and includes the analysis of their structural, chemical, and electrochemical properties. The process is studied under well-defined experimental conditions using XRD, SEM, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and galvanostatic charge and discharge (GCD). XRD results confirm the presence of nickel and nickel oxide phases. Also, in the SEM test, porosities were observed in the range of micro and dendrites in the nanoscale. The outcome of these experiments demonstrates that the Ni-NiO foam has a higher specific capacitance. The best specific capacitance for Ni-NiO foam was calculated 924 F/g at 1A/g. Ni-NiO foam maintains 81.8% of its specific capacitance at a current density of 20 A/g and after 3000 cycles. The created foam electrode can be used as a current collector for the deposition of subsequent layers and is a candidate for use in supercapacitors.

منابع و مأخذ:

[1]     ش. خامنه اصل و م. نامدار حبشی، "سنتز گرافن به روش لیزر به منظور ساخت ابرخازن‏های الکتروشیمیایی، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد"، دوره 12، شماره 1 - شماره پیاپی 44، صفحه 107-119، بهار 1397.

 

[2]     B. C. Tappan, S. A. Steiner & E. P. Luther, “Nanoporous metal foamsˮ, Angewandte Chemie International Edition, Vol. 49, No. 27, pp. 4544-4565, 2010.

 

[3]     H. C. Shin, J. Dong & M. Liu, “Nanoporous structures prepared by an electrochemical deposition processˮ, Advanced Materials, Vol. 15, No. 19, pp. 1610-1614, 2003.

 

[4]     H. C. Shin & M. Liu, “Copper foam structures with highly porous nanostructured wallsˮ, Chemistry of materials, Vol. 16, No. 25, pp. 5460-5464, 2004.

 

[5]       س. فضلی و م. ا. بحرالعلوم، "بررسی عوامل موثر بر مورفولوژی و ساختار نانویی پوشش‌های آلیاژی نیکل-آهن تهیه شده به روش آبکاری الکتریکی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 1 - شماره پیاپی 36، صفحه 45-37، بهار .

 

[6]     G. Lange, S. Eugénio, R. Duarte, T. Silva, M. Carmezim & M. d. F. Montemor, “Characterisation and electrochemical behaviour of electrodeposited Cu–Fe foams applied as pseudocapacitor electrodesˮ, Journal of Electroanalytical Chemistry, Vol. 737, pp. 85-92, 2015.

 

[7]     I. Sunagawa, “Morphology of crystals: part A: fundamentals part B: fine particles, minerals and snow part C: the geometry of crystal growth by jaap van suchtelenˮ, Springer Science & Business Media, 1995.

 

[8]     K. Fukami & et al., “General mechanism for the synchronization of electrochemical oscillations and self-organized dendrite electrodeposition of metals with ordered 2D and 3D microstructuresˮ, The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 111, No. 3, pp. 1150-1160, 2007.

 

[9]     K. Zhuo, M. G. Jeong & C. H. Chung, “Dendritic nanoporous nickel oxides for a supercapacitor prepared by a galvanic displacement reaction with chlorine ions as an accelerator,ˮ RSC Advances, Vol. 3, No. 31, pp. 12611-12615, 2013.

 

[10] W. Shao, G. Pattanaik & G. Zangari, “Influence of chloride anions on the mechanism of copper electrodeposition from acidic sulfate electrolytesˮ, Journal of The Electrochemical Society, Vol. 1, No. 54, pp. D201-D207, 2007.

 

[11] B. Wei & et al., “Room‐temperature ferromagnetism in doped face‐centered cubic Fe nanoparticlesˮ, small, Vol. 2, No. 6, pp. 804-809, 2006.

 

[12] C. W. Kim & et al., “Surface investigation and magnetic behavior of Co nanoparticles prepared via a surfactant-mediated polyol processˮ, The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 113, No. 13, pp. 5081-5086, 2009.

 

[13] H. Q. Wang & et al., “Porous nano-MnO₂: large scale synthesis via a facile quick-redox procedure and application in a supercapacitorˮ, New Journal of Chemistry, Vol. 35, No. 2, pp. 469-475, 2011.

 

[14] M. Zhi, A. Manivannan, F. Meng & N. Wu, “Highly conductive electrospun carbon nanofiber/MnO₂ coaxial nano-cables for high energy and power density supercapacitorsˮ, Journal of Power Sources, Vol. 208, pp. 345-353, 2012.

 

[15] S. Biswas & L. T. Drzal, “Multilayered nanoarchitecture of graphene nanosheets and polypyrrole nanowires for high performance supercapacitor electrodesˮ, Chemistry of Materials, Vol. 22, No. 20, pp. 5667-5671, 2010.

 

[16] J. Ji & et al., “Nanoporous Ni (OH) ₂ thin film on 3D ultrathin-graphite foam for asymmetric supercapacitorˮ, ACS nano, Vol. 7, No. 7, pp. 6237-6243, 2013.

 

[17] W. Sugimoto, H. Iwata, Y. Yasunaga, Y. Murakami & Y. Takasu, “Preparation of ruthenic acid nanosheets and utilization of its interlayer surface for electrochemical energy storageˮ, Angewandte Chemie International Edition, Vol. 42, No. 34, pp. 4092-4096, 2003.

 

[18] C. C. Hu, K. H. Chang & T. Y. Hsu, “The synergistic influences of OH− concentration and electrolyte conductivity on the redox behavior of Ni (OH) ₂/NiOOHˮ, Journal of The Electrochemical Society, Vol. 155, No. 8, pp. F196-F200, 2008.