Geri Dön

Synthesis and characterization of LiMPO4 (Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II))

Mezogözenekli LiMPO4'lerin (Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II)) sentezleri ve karakterizasyonları

PDF İndir

  1. Tez No: 495975
  2. Yazar: TULUHAN OLCAYTO ÇOLAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER DAĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 80

Özet

Lityum demir fosfatların, lityum iyon pilleri için katod malzeme olarak ortaya çıkmasının ardından, mezogözenekli lityum metal fosfat tuzları kapsamlı bir şekilde çalışıldılar. Bu malzemeler adapte edilebilir ve lityum iyon bataryalar için kullanışlı bulundular. Bu çalışma mezogözenekli LiMPO4'ların (M= Mn(II), Fe(II), Co(II) ve Ni(II)) eriyik tuz yardımlı kendiliğinden oluşma (EYKO) yöntemi kullanılarak, liyotropik sıvı kristal (LSK) ara fazlarından sentezlenmelerini ve karakterizasyonlarını kapsamaktadır. Bir kere optimize edildikten sonra şeffaf çözeltilerin ve LSK'ların hazırlanması oldukça zahmetsiz bir işlemdir. Sırası ile önce şeffaf çözelti, lityum metal fosfatın sentezi için hazırlanır ardından çevirme veya damlatıp kurutma yöntemi ile cam üzerine kaplanır. Kaplanmış filmler mezogözenekli lityum metal fosfat yapmak için yakılır. Bu tezde, mezogözenekli LiMPO4 (M= Mn(II), Fe(II), Co(II) ve Ni(II)) uyarlanmış EYKO metodu ve yumuşak taslak olarak 10-lauryl eter kullanılarak hazırlanmış ve çoklu analitik teknikler yardımı ile karakterize edilmiştir. (FTIR, PXRD, SEM, EDX ve N2 adsorpsiyon-desorpsiyon). Tezin başında çözeltilerin kararlılıkları zamana, pH'a ve derişime bağlı değişimleri incelendi. Yüzey aktif ajanın tuz ve asit miktarına olan oranına bağlı olarak çözeltilerin derişimleri ve zaman içinde çökme süreleri arasında bir ters ilişki bulundu. Bu bölümde devam edilerek, çözelti dengesinin aynı zamanda pH'a bağlı olduğu LiNO3 yerine LiOH kullanılarak bulundu. Fark edildiği üzere yüksek pH değerlerinde çözeltiler daha karasız olduğu ve daha çok çökelti oluşturdu. Mn(II), Fe(II), Co(II) ve Ni(II) kullanılarak hazırlanan çözeltiler cam üzerine çevirme ve damlatıp kurutma yöntemleri ile kaplandılar. Bu iki yöntem içinden istenilen malzemeyi, istenilen miktarda ve morfolojide veren seçildi. Mn(II) sistemi kullanılarak, geniş bir derişim aralığında deneme yapıldıktan sonra seyreltik, orta ve derişik tuz ve aside karşı yüzey aktif ajanın oranları temsilen üç derişim seçildi. Yaşlandırma ve sıcaklığa bağlı değişimler, mezofazların oluşumu ve tepkimeler FTIR ile takip edildi. Sıcaklığın mezoyapı üzerinde ciddi bazı etkileri olduğu bulundu. Mezofaz sıcaklık artışı ile yapısal düzenini kaybettiği belirlendi. Aynı davranış biçimi tuz asit miktarlarının arttırılması sonrasında da gözlemlendi. Tuz derişimleri arttıkça, mezofazı bozmak için gereken sıcaklıkta düşmektedir. FTIR spektroskopi çalışması, ciddi miktarda nitrat türünün ve yüzey aktif ajanın moleküllerinin 160oC'de ortamdan atıldıklarını tespit etmiştir. Yüzey aktif ajanını tamamen atmak için en düşük yakma sıcaklığı 250oC olarak belirlenmiştir. Mn(II) tuzunun seyreltik çözeltilerinin her iki yöntem ile kaplamasından sonra elde edilen numuneler 250, 350 ve 450oC'lerde yakıldılar ve XRD, FTIR ve SEM teknikleri ile karakterize edildiler. Damlatıp kurutma yönteminin, çevirme yöntemine yerine, çevirme yöntemi istenilen malzemeyi üretmede başarısız olduğu ve başka metal fosfatlar ürettiği için seçildi. LiMnPO4, LiFePO4, LiCoPO4 ve LiNiPO4 damlatıp kurutma yöntemi ile sentezlendiler ve XRD, FTIR, SEM, EDX ve N2 adsorpsiyon-desorpsiyon teknikleri ile karakterize edildiler. Bu malzemelerin mezogözenekli oldukları ve bazı yan ürünler ile kayda değer yüzey alanlarına sahip oldukları anlaşıldı. LiMnPO4 ve LiCoPO4 için gözenekler geniş ve düzensiz ancak LiFePO4 ve LiNiPO4 için gözeneklerin dar (3 – 6 nm) olduğu belirlendi. Yüzey alanı, yapılan gözlemlere uygun olarak en yüksek nikel numunelerinde 96 m2/g olarak kaydedildi. Gözenekler numunelerin tavlama sıcaklıklarına bağlı olarak adım adım genişlemekte ve her durum içinde düzensiz olmaktadır. Tespit edilememiş kristal fazlar yapının tanımlanması ve istenilen malzemenin elde edilebilmesi için daha çok optimizasyon gerektirmektedir.

Özet (Çeviri)

Synthesis of mesoporous lithium metal phosphates have been studied extensively in past after the emerge of lithium iron phosphate as a cathode material in the lithium ion batteries. These materials are proved to be modifiable and useful in lithium ion batteries. This study encompasses synthesis and characterization of the mesoporous LiMPO4 (M= Mn(II), Fe(II), Co(II), and Ni(II)) from lyotropic liquid crystalline (LLC) mesophases, utilizing a method which can be described as a modified molten salt assisted self-assembly (MASA) method. Preparation of clear solutions and LLC mesophases afterwards are quite an effortless process, once optimized, which in its order starts with the clear solution prepared for the synthesis of lithium transition metal phosphate, then the coating of the solution over glass substrate using two methods, the spin coating and drop-casting. The coated films are then calcined to fabricate the mesoporous lithium metal phosphate products. In this thesis, the mesoporous LiMPO4 (M = Mn(II), Fe(II), Co(II), and Ni(II)), are synthesised using the modified MASA method using 10-lauryl ether as the soft template and characterized using multi-analytical techniques (such as FTIR, PXRD, SEM, EDX, and N2 adsorption-desorption). In the initial part of the thesis, the solution stability over time, pH dependence, and concentration of the ingredients were investigated. It was found that through time these solutions precipitate ranging from weeks to hours with an inverse relation with the concentration of used salts, and acid relative to the surfactant. Continued in this part, it was observed that solution stability is also dependent on pH, which was tested using LiOH instead of LiNO3 as the lithium source. It was revealed that, at higher pH values, the solutions are less stable and produce more precipitate. The solutions, prepared using Mn(II), Fe(II), Co(II), and Ni(II), were coated on glass substrates by drop-cast coating and spin coating methods. These two methods were used to determine the best method for a desired amount and morphology of the corresponding products. After testing a broad range of ingredient concentrations, using the Mn(II) system, three concentrations were selected to represent dilute, medium and concentrated ratios of salt and acid versus the surfactant. The aging and temperature dependent changes were monitored using FT-IR spectroscopy; the effect of temperature on both the formation of mesophase and the reactions taking place in the mesophase has been investigated. It appears that the temperature has some profound effects on the mesophase. The mesophase gets disordered by increasing temperature. This trend also correlates well with increasing salt concentration in the media. As the salt concentration increases the temperature required to disrupt the mesophase decreases. The FT-IR spectroscopy study shows that; significant amount of nitrate species and surfactant molecules have been removed from the media at around 160oC. To remove the surfactant completely, minimum temperature of calcination determined to be 250oC. Samples, prepared with low concentration solution of Mn(II) salt coated with both methods, were calcined at 250, 350, and 450oC and characterized using XRD, FT-IR spectroscopy and SEM techniques. It was found that the drop-casting method is favourable over the spin coating method, because the spin coating method failed to produce the desired compound and created metal pyrophosphate instead of lithium metal phosphates. LiMnPO4, LiFePO4, LiCoPO4, and LiNiPO4 were synthesised using drop-cast coating method and characterized by XRD, FT-IR spectroscopy, SEM, EDX, and N2- adsorption-desorption techniques. It was found that these materials are mesoporous and have noticeable surface areas with some by-products. The pores are large and non-uniform in LiMnPO4 and LiCoPO4, but the pores are small (3-6 nm range) in the iron and nickel samples. The surface area also accords with observation and highest (96 m2/g) surface area was recorded from nickel samples. The pores gradually expand with annealing the samples and becomes non-uniform all cases. The undefined crystalline phases require more work to determine their structure and more optimization to obtain the desired material.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    593566

    Lyotropic liquid crystalline mesophases from acid-salt-surfactant systems: synthesis and characterization of mesoporous LimpO4 (M=Mn(II),Fe(II),Co(II) and Ni(II))

    Asit-tuz-yüzey aktif madde karışımlarından elde edilen liyotropik sıvı kristal arafazlar: mezogözenekli LimpO4' lerin (M=Mn(II),Fe(II),Co(II) ve Ni(II)) sentezi ve karakterizasyonu

    IŞIL UZUNOK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER DAĞ

  2. Tez No

    512707

    Synthesis and characterization of silver phosphate from lyotropic liquid crystalline mesophase template as a photocatalyst

    Gümüş fosfatın liyotropik sıvı kristallerin mezofaz bazlı bir fotokatalizör olarak sentezi ve karakterizasyonu

    NÜVEYRE CANBOLAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER DAĞ

  3. Tez No

    384973

    Hydrothermal synthesis and characterization of LIMNPO4 for secondary lithium batteries

    İkincil lityum bataryalar için LIMNPO4 malzemesinin hidrotermal sentezi ve karakterizasyonu

    ESİN CAMCI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KADRİ AYDINOL

  4. Tez No

    613772

    Lityum iyon pillerinin katot malzemesi olan LixMy(PO4)z ve LixMyO4 tipindeki bileşiklerin bazı metaller kullanılarak sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of LixMy(PO4)z and LixMyO4 type compounds which are cathode materials for lithium ion batteries

    BURÇİN ORHAN SAVRAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    KimyaBalıkesir Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİGEN KURTULUŞ

  5. Tez No

    82452

    Synthesis and characterization of alkaline earth and rare earth bonophosthate compounds

    Toprak alkali ve nadir toprak alkali metal borfosfat bileşiklerinin sentezlenmesi ve karakterizasyonu

    ABDÜLHADİ BAYKAL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1999

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MERAL KIZILYAYLI

Geri Dön