Synthesis, characterization, and electrochemical properties of mesoporous spinel LiMn2-xMxO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) thin films
Mezogözenekli spinel LiMn2-xMxO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) ince filmlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal özellikleri
- Tez No: 872814
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 223
Özet
Mezogözenekli LiMn2-xMxO4 elektrotlar, suyun elektrokimyasal oksidasyonu (SEO) için umut verici adaylardır. Bu çalışmada, flor katkılı kalay oksit (FTO) yüzeyi üzerinde eriyik tuz destekli kendiliğinden oluşma (EDKO) yöntemi kullanılarak mezo gözenekli LiMn2-xMxO4 (M= Mn, Fe, Co, Ni ve Cu) ince filmler üretilmiştir. Elektrotlar kristal yapılarına, film morfolojilerine ve kalınlıklarına göre birçok yöntem ile karakterize edilmiştir. Filmlerin elektrokimyasal özellikleri asidik, alkali, nötr ve sulu olmayan koşullar altında kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Yüzey Mn(III) ve Mn(VI) türlerinin elektrokimyasal bozulumları, elektrokimyasal deneylerden sonraki karakterizasyon teknikleri ile gösterilmiştir. LiMn2O4 ince filmleri, MASA yöntemi kullanılarak üretilen Mn3O4 elektrotlara kıyasla suyun elektrokimyasal oksidasyonunda daha kararlı bulunmuştur. LiMn2O4 filmlerinde lityum deinterkalasyonunun, Mn(VI) bozulumuna karşı dayanıklı λ-MnO2 yapısını oluşturduğu gösterilmiştir. LiMn2O4 filmlerin 2000 rpm ve 10000 rpm arasında çeşitli dönüş hızlarında üretilmesinden sonra elektrotlarının elektrokimyasal bozunma hızları araştırılmıştır. Bu film kalınlıkları 150 ila 500 nm arasında elde edilmiştir ve 5000 rpm dönüş hızıyla elde edilen LiMn2O4 elektrotunun fiziksel bozunmaya karşı daha dirençli olduğu gözlenmiştir. İnce filmlerin kapasite değerleri LiNO3 elektrolitinde yapılan elektrokimyasal deneylerle, bu filmler için 136 ile 273 mC arasında belirlenmiş, bu değerler FTO üzerindeki 30 ile 60 μg/cm2 arasında çeşitlilik gösteren film ağırlıklarına çevrilmiştir. LiMn2O4 ince filmlerinin tavlama sıcaklığı, daha kararlı bir elektrokimyasal oksidasyon için optimize edilmiştir. 5000 rpm dönüş hızında üretilen ve 300 oC'de tavlanan LiMn2O4 filmi 60mV/dec Tafel eğrisi ve 10mA/cm2 akımda 812 mV ek potansiyel değeri vermiştir. FTO yüzeyinde, mezo gözenekli LiMn2-xMxO4 ince filmlerin de üretimi için aynı üretim parametreleri uygulanmıştır. Ek olarak, LiMn2-xMxO4 elektrotlarının 5000 rpm dönüş hızında ve 300 oC tavlama sıcaklığında lityumun deinterkalasyon davranışı araştırılmıştır. BET yüzey alanları LiMn2O4, LiMn1.7Fe0.3O4, LiMn1.7Co0.3O4, LiMn1.7Ni0.3O4 ve LiMn1.7Cu0.3O4 için sırasıyla 98, 99, 116, 112 ve 75 m2/g olarak rapor edilmiştir. LiNO3 ortamında LiMn2O4, LiMn2-xFexO4, LiMn2-xCoxO4, LiMn2-xNixO4 ve LiMn2-xCuxO4 elektrotları için lityum iyon interkalasyon ve de-interkalasyon süreçleri araştırılmıştır. Yüksek x değerlerinde nikel ve bakırın daha düşük oksidasyon durumlarına sahip olduğu ve spinel kristal yapısında faz ayrımının oluştuğu belirlenmiştir. LiMn2-xMxO4 elektrotları üzerindeki Mn(VI) bozulum tepkimesi, 1 M KOH'da elektrokimyasal döngü deneyleri ile araştırılmıştır. LiMn2O4, LiMn2-xFexO4 ve LiMn2-xCuxO4 elektrotları, MnO4- ve FeO42-'nin elektrolite dağılması ve elektrotlarda CuO fazının oluşması nedeniyle LiMn2-xCoxO4 ve LiMn2-xNixO4 elektrotlarına kıyasla hızlı bir bozulmaya uğramıştır. FTO üzerindeki LiMn1.7M0.3O4 ince filmleri SEO elektrokatalizinde test edilmiş ve 10 mA/cm2 akım değerindeki ek potansiyel değerleri LiMn1.7Fe0.3O4, LiMn1.7Co0.3O4, LiMn1.7Ni0.3O4 için sırasıyla 645, 686 ve 657 mV olarak elde edilmiştir. Aynı kompozisyonlar grafit substratlar üzerine de kaplanmıştır ve LiMn2O4, LiMn1.7Fe0.3O4, LiMn1.7Co0.3O4, LiMn1.7Ni0.3O4 için 10 mA/cm2 akım değerinde sırasıyla 629, 462, 440 ve 532 mV ek potansiyel değerleri elde edilmiştir. Grafit üzerindeki LiMn1.7Co0.3O4 filmi ve FTO üzerindeki LiMn1.7Ni0.3O4'ün, 50 mA/cm2 akım değerinde bile kararlı ek potansiyel sonuçları göstermiş ve bu elektrotların sağlam ve verimli elektrotlar olduğu kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Mesoporous LiMn2-xMxO4 electrodes are promising candidates for efficient oxygen evolution (OER) electrocatalysis. In this study, mesoporous LiMn2-xMxO4 (where M is Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) thin films have been fabricated by employing molten-salt assisted self-assembly (MASA) method on fluorine doped tin oxide (FTO) surface. The electrodes are characterized according to their structure, morphology, and thicknesses using various characterization techniques. The electrochemical properties of the films are comprehensively investigated under acidic, alkaline, neutral, and non-aqueous solutions. The manganese oxide-based electrodes undergo Mn(III) and Mn(VI) disproportionation reactions. Here, we have extensively investigated these disproportionation reactions by post-characterization techniques after electrochemical experiments using LiMn2-xMxO4 (M is Fe, Co, Ni, and Cu and x is 0, 0.1, 0.3, 0.4, and 0.67) and Mn3O4 electrodes. The LiMn2O4 thin films are found to be more stable in OER compared to Mn3O4. Lithium de-intercalation of the LiMn2O4 films produces a λ-MnO2 phase robust against Mn(VI) disproportionation. The electrochemical degradation rates are investigated using the LiMn2O4 electrodes, fabricated at various spin rates (from 2000 and 10000 rpm). The film thicknesses are between 150 and 500 nm. The LiMn2O4 electrode at 5000 rpm is more resistant to physical degradation during electrochemical tests. Charge capacity values of the thin films are determined by electrochemical experiments in LiNO3 electrolyte and found to be between 136 and 273 mC/cm2 for the films, then these values are used to calculate their approximate weights (between 30 and 60 μg/cm2). The annealing temperature for the LiMn2O4 thin films is also optimized for a stable OER. The LiMn2O4 film, fabricated at 5000 rpm spin rate and annealed at 300 oC, is found to be a more robust and efficient electrode with a 60 mV/dec Tafel slope and 812 mV overpotential at 10 mA/cm2 current density. The same fabrication parameters are used for the other mesoporous LiMn2-xMxO4 thin films. The LiMn2-xMxO4 thin films are used to collect their N2-adsorption-desorption isotherms. The isotherms display type IV hysteresis, characteristic of mesoporous materials. BET surface areas are estimated as 98, 99, 116, 112, and 75 m2/g for the LiMn2O4, LiMn1.7Fe0.3O4, LiMn1.7Co0.3O4, LiMn1.7Ni0.3O4 and LiMn1.7Cu0.3O4, films, respectively. Moreover, the LiMn2-xMxO4 electrodes (fabricated at 5000 rpm spin rate and 300 oC annealing temperature) are investigated for lithium de-intercalation/intercalation behavior in 1 M LiNO3 solution. Then, the same electrodes are used to collect 300 CVs, CAs, and CPs in 1 M KOH solution to evaluate electrochemical behaviors. From these measurements, the origin of phase separation and bearing lower oxidation states of the nickel and copper at higher x values are identified in the spinel structure. The Mn(VI) disproportionation reaction on the LiMn2-xMxO4 electrodes is investigated by CV cycling experiments in 1 M KOH. The LiMn2O4, LiMn2-xFexO4, and LiMn2-xCuxO4 electrodes undergo fast degradation compared to LiMn2-xCoxO4 and LiMn2-xNixO4 through the dispersion of [MnO4]- and [FeO4]2- ions and dissolution of the CuO phase formed in the electrodes during OER. The LiMn1.7M0.3O4 thin films on FTO are used in OER electrocatalysis and the overpotential values at 10 mA/cm2 are evaluated as 645, 686, and 657 mV for the LiMn1.7Fe0.3O4, LiMn1.7Co0.3O4, LiMn1.7Ni0.3O4 electrodes, respectively. The exact compositions are also coated on graphite substrates and their overpotential values are also evaluated as 629, 462, 440, and 532 mV at 10 mA/cm2 for the LiMn2O4, LiMn1.7Fe0.3O4, LiMn1.7Co0.3O4, LiMn1.7Ni0.3O4 electrodes, respectively. The LiMn1.7Co0.3O4 on graphite and LiMn1.7Ni0.3O4 on FTO electrodes are found to be the most robust and efficient electrodes at a 50 mA/cm2 current density.
Benzer Tezler
- High power 4.7 V nanostructured spinel lithium manganese nickel oxide lithium-ion battery cathode materials
Başlık çevirisi yok
MUHARREM KUNDURACI
Doktora
İngilizce
2007
KimyaRutgers, The State University of New Jersey-New Brunswick CampusPROF. GLENN G. AMATUCCI
- Synthesis and characterization of mesoporous nickel oxide and nickel cobaltite thin films
Mezogözenekli nikel oksit ve nikel kobalt oksitince filmlerin sentezi ve karakterizasyonu
ASSEL AMIRZHANOVA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Acid-salt-surfactant lyotropic liquid crystalline mesophases: Synthesis, characterization, and electrochemical properties of mesoporous M2P2O7 and M2- XM'XP2o7 (M and M'= MN(II), CO(II) and NI(II)) powders and films
Asit-tuz-yüzey aktif madde liyotropik sıvı kristal arafazlar: Mezogözenekli M2P2O7 ve M2-XM'XP2o7 (M ve M'= MN(II), CO(II) ve NI(II)) tozlarının ve filmlerinin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal davranışları
IŞIL ULU
- Pem yakıt hücresi katodunda kullanılmak üzere farklı karbon türü destekli platinin ikili ve üçlü katalizörlerinin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of synthesis, characteristics and electrocatalytic properties of different carbon type-supplied platinum binary and third catalysts using the cathode of a pem fuel cell
ECE HACIOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FİLİZ DEREKAYA
- Yeni retinal esaslı boyaların sentezi, karakterizasyonu, fotofiziksel ve elektrokimyasal özelliklerinin araştırılması
Synthesis, characterization and investigation of photophysical and electrochemical properties of novel retinal
ESER KIRMACI