Skip to main content
SUPERVISOR
Mohmmad ali Golozar,Kaivan Raissi
محمدعلي گلعذار (استاد راهنما) کيوان رئيسي (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Hossein Tahmasebi Sefid Dashti
محمد حسين طهماسبي سفيددشتي

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1389

TITLE

Structural and Electrochemical Evaluation and Optimization of Nanosized Manganese-Nickel Binary Oxide Pseudocapacitor Electrodes Synthesized by Anodic Deposition
In the present research, nanosized manganese-nickel binary oxide pseudocapacitor (MNO) was deposited on stainless steel substrate from an acetate solution via anodic electrodeposition (potentiodynamic) at room temperature. Then, with the aim of tailoring and improving the pseudocapacitive behavior and cycle stability of the MNO electrode, effect of different parameters on morphology, microstructure and electrochemical behavior of MNO pseudocapacitor were studied. Those parameters include: deposition upper potential limit, mass loading of oxide per unit area, deposition bath pH, deposition scan rate, annealing temperature and Ni to Mn molar ratio in deposition bath. The results showed that the density of oxide films decreases with increasing deposition bath pH in the range from 4 to 7, which expectedly translates in an attendant increase of porosity and active surface area. Annealing process led to the formation of a complex structure with composite nature, consisting of intermixed amorphous and nanocrystalline phases. In addition, the specific capacitance as a function of Ni content in the oxide film, showed a maximum at approximately 10 at% Ni , where further increase of the Ni content dropped the specific capacitance most likely due to decrease of the film porosity. Keywords: Supercapacitors; Nanosized manganese-nickel binary oxide; Electrodeposition; Potentiodynamic
چکيده اکسيد فلزات واسطه به دليل قابليت انجام واکنش هاي اکسايش/کاهش و هدايت الکتريکي داراي رفتار شبه خازني هستند. اکسيدهاي پايه منگنز به واسطه ويژگي هايي نظير قيمت پايين، غيرسمي بودن و ظرفيت خازني ويژه بالاتر در مقايسه با ديگر اکسيدها مورد توجه ويژه اي قرار گرفته اند. از طرفي، حضور نيکل به دليل ايجاد هدايت الکتريکي و تخلخل بيش تر نسبت به ديگر فلزات واسطه، خواص شبه خازني ايده ال تري را در الکترودهاي اکسيد منگنز مي تواند فراهم نمايد. در پژوهش حاضر، شبه خازن نانو اکسيد دوتايي منگنز - نيکل (MNO) از طريق روش رسوب دهي الکتروشيميايي آندي (پتانسيوديناميک) از يک حمام استاتي و در دماي اتاق روي زيرلايه فولاد زنگ نزن رسوب دهي شد. در ادامه، با هدف اصلاح و بهبود خواص شبه خازني و پايداري چرخه اي الکترود MNO، اثر عوامل مختلف پوشش دهي نظير حد بالايي پتانسيل رسوب دهي، نسبت جرم فيلم اکسيدي رسوب دهي شده در واحد سطح (mg cm -2 )، pH حمام رسوب دهي، نرخ روبش رسوب دهي، دماي آنيل و نهايتاً نسبت مولي نيکل به منگنز حمام رسوب دهي بر مورفولوژي، ريزساختار و رفتار الکتروشيميايي الکترود شبه خازن MNO مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور بررسي هاي ساختاري و مورفولوژيکي از پراش پرتو ايکس (XRD)، طيف سنج رامان (Raman)، ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM)، ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM، مجهز به طيف سنج توزيع انرژي (EDS))، ميکروسکوپ الکتروني روبشي نشر ميداني (FESEM) و ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) استفاده شد. ارزيابي هاي الکتروشيميايي با استفاده از آزمون هاي ولتامتري چرخه اي (CV)، شارژ - دشارژ در جريان ثابت (GCD) و طيف سنجي امپدانس الکتروشيميايي (EIS) در الکتروليت 1 مولار Na 2 SO 4 و دماي محيط انجام شد. آناليز EDS فيلم هاي MNO و ارزيابي منحني هاي ولتامتري چرخه اي حاکي از افزايش مقدار نيکل فيلم MNO و تشديد واکنش آزاد شدن اکسيژن (OER) با افزايش حد بالايي پتانسيل در حين رسوب دهي بود که با توجه به رفتار خازني الکترود، محدوده پتانسيل 4/0-V 2/1 جهت رسوب دهي انتخاب شد. از طرفي، نتايج نشان داد که با افزايش ميزان pH حمام رسوب دهي در محدوده 4 تا 7، درصد نيکل موجود در اکسيد افزايش مي يابد که در اين حالت بالاترين ظرفيت خازني ويژه و پايين ترين مقدار مقاومت انتقال بار (R ct ) براي فيلم اکسيدي رسوب دهي شده از حمام با 6 = pH در هر دو حالت پس از رسوب دهي و آنيل شده و با ترکيب شيميايي نزديک به Ni 0.1 Mn 0.9 O x و نسبت جرم در واحد سطح mg cm -2 11/0 به دست آمد. براي الکترود شبه خازن MNO رسوب دهي شده در نرخ روبش mV s -1 600 با بيش ترين زبري سطحي، بالاترين ظرفيت خازني ويژه (F g -1 202) در مقايسه با ديگر نرخ هاي روبش رسوب دهي حاصل شد. فرايند آنيل منجر به تشکيل يک ساختار کمپلکس با طبيعت کامپوزيتي شامل مخلوطي از فازهاي نانوکريستالي و آمورف شد. به علاوه، يک اکسيد از نوع برنِسايت (birnessite) با ساختار شش وجهي و شبه نظم توربواِستراتيک (turbostratic) به عنوان فاز اصلي در حضور هيدروکسيد نيکل به عنوان فاز دوم و به صورت ريز و پراکنده در لايه اکسيدي عمليات حرارتي شده مشاهده شد. با توجه به بررسي رفتار شبه خازني الکترودهاي MNO آنيل شده در دماهاي مختلف، دماي o C 200 به عنوان دماي بهينه جهت آنيل تعيين گرديد. از طرف ديگر با افزايش مقدار نيکل فيلم اکسيدي تا 10 درصد، ظرفيت خازني ويژه افزايش يافت و پس از آن در مقادير بالاتر نيکل، به دليل کاهش تخلخل، ظرفيت خازني ويژه شروع به کاهش کرد. در نهايت، براساس منحني هاي شارژ - دشارژ در جريان ثابت به دست آمده براي الکترود شبه خازن MNO توليد شده در شرايط بهينه، بيش ترين ظرفيت خازني ويژه ( F g -1 384) و انرژي ويژه (Wh kg -1 53) در جريان ويژه دشارژ A g -1 1/0 حاصل شد. هم چنين، نتايج آزمون عمر چرخه اي در جريان ويژه A g -1 10 براي شبه خازن MNO، پايداري چرخه اي عالي (در مقايسه با اکسيد منگنز خالص) و افزايش حدود 23 درصدي ظرفيت خازني ويژه پس از انجام 5000 چرخه شارژ - دشارژ در الکتروليت يک مولار Na 2 SO 4 را نشان داد. کلمات کليدي: ابرخازن ها؛ نانو اکسيد دوتايي منگنز - نيکل؛ رسوب دهي الکتروشيميايي؛ روش پتانسيوديناميک؛ عمر چرخه اي.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی