بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله رفتار خازنی نانوکامپوزیت های مگنتیت - Fe3O4 - کربن بلک تولید شده با درصدهای مختلف از اکسید آهن و کربن مورد بررسی قرار گرفته است. ساختار و شکل نانوکامپوزیت های مگنتیت کربن بلک به ترتیب با استفاده از تکنیک پراش اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد شناسایی و مطالعه واقع شده است. عملکرد الکتروشیمیایی نانوکامپوزیت های سنتز شده در قالب الکترود با استفاده از روش ولتامتری چرخه ای و شارژ دشارژ کرونوپتانسیومتری در الکترولیت سولفات سدیم مورد بررسی قرار گرفته است.
نتایج حاصل نشان داد نانوکامپوزیت سنتز شده با 45 درصد اکسید آهن، ظرفیتی حدود 300 فاراد بر گرم از خود نشان می دهد. علاوه بر این ساختار خازی ساخته شده از کامپوزیت مورد نظر چرخه عمر شارژ دشارژ بسیار بالایی از خود نشان میدهد.
کلمات کلیدی ابرخازن، مگنتیت، کربن بلک، نانوکامپوزیت، اکسید آهن، ولتامتری چرخه ای، خازن الکتروشیمیایی
مقدمه
خازن های الکتروشیمیایی - ابرخازن ها - تجهیزاتی خوش آتیه در زمینه ذخیره سازی انرژی می باشند. در این ساختار های الکتروشیمیایی معمولا بر دو اساس ذخیره سازی انرژی الکتریکی صورت می گیرد. الف - لایه دوگانه الکتریکی ویژگی شبه خازنی . خاصیت شبه خازنی ناشی از انتقال الکترونی سطحی یا واکنشهایی فارادیک الکترودی با ویژگی شارژ دشارژ سریع می باشد. مکانیزم شبه خازنی معمولا باعث ایجاد ظرفیتی معادل 10 تا 100 برابر بزرگتر از ظرفیت ساختارهای با مکانیزم لایه دوگانه الکتریکی می شود .از مزایای ساختارهای شبه خازنی می توان به توان بالا، طول عمر چرخه ای بالا و زمان شارژ-دشارژ پایین برای کاربردهای وسیع اشاره نمود.
اولین شناخت اکسیدهای شبه خازنی مر بوط به ساختار بی شکل روتینیم اکسید هیدراته می باشد. در کنار ظرفیت ویژه و دانسیته انرژی بالای این ساختار 720 - فاراد بر گرم - ؛ مواردی از قبیل هزینه زیاد، سمیت، نیازمندی به محیط اسیدی بالا برای کارکرد ابرخازنی باعث محدودیت استفاده صنعتی روتنیم اکسید میشود. امروزه از تلفیق خازن های با ساختار لایه دوگانه الکتریکی و شبه خازن ها، نسل جدیدی از خازن ها با عنوان خازن های هیبریدی ابداع شده اند که در نتیجه آنها بازدهی بالا و عملکرد بهتری را از خازن های الکتروشیمیایی را شاهد هستیم.
امروزه اکسید های برخی فلزات عناصر واسطه به عنوان گزینه ای مناسب با خاصیت خازنی خوب، قیمت پایین بسیار مورد توجه محققان برای ساخت خازن های الکتروشیمیایی قرار گرفته اند و نتایج بدست آمده نشان داده که این ساختارها می توانند در آینده کاربرد بسزایی را در زمینه خازن های الکتروشیمیایی به خوذ اختصاص دهند. علاوه بر موارد فوق الذکر، اکسید آهن به دلیل مقرون به صرفه بودن، فراوانی طبیعی و سازگاری با محیط زیست یک ترکیب حائز اهمیت در زمینه فناوری خازن های الکتروشیمیایی می تواند باشد.
نتایج ارائه شده در رابطه با ظرفیت ویژه ااکترودهای ساخته شده بر پایه اکسیدهای آهن Fe2O3 و Fe3O4 معمولا معادل 5 تا 118 فاراد بر گرم میباشد. این ظرفیت ها به شدت تحت تاثیر ساختار ریخت شناسی سطح می باشد. از سوی دیگر ساختار سطحی وابسته یه شرایط ساخت و سنتز ترکیب می باشد. ترکیب شبه خازنی مگنتیت در محلول های سولفیتی نشان داده که طی واکنش های اکسایش-کاهش جذب آنیون های سولفیت همراه با انتقال شش الکترون می باشد.
مگنتیت یک ترکیب با رسانایی ضعیف می باشد. بنابراین برای استفاده از این ترکیب به عنوان خازن الکتروشیمیایی نیاز است که Fe3O4 با یک ماده افزودنی رسانا مورد آمیخته گردد تا بتواند ظرفیت مناسبی از خود نشان دهد. با توجه به این موضوع انتظار می رود که نوع و نحوه مخلوط کردن ماده رسانا با اکسید آهن نقش بسزایی را در عملکرد مگنتیت به عناون خازن الکتروشیمیایی ایفا نماید. امروزه استفاده از امواج فراصوت در ساخت و سنتز نانومواد به دلیل سادگی، قیمت پایین و توانایی تولید مواد با ساختار کریستالی مناسب بسیار مورد توجه محققان واقع شده است.
برای سنتز مستقیم در مقیاس نانو در محیط آبی می توان از امواج فراصوت استفاده نمود، زیرا کاویتاسیون هایی که بوسیله امواج فرصوت تولید می گردد، می تواند مانع تجمع ذرات مغناطیسی مگنتیت شود و در نتیجه آن یک محلول کلوئیدی بوجود آید. در این تحقیق، روشی سریع و آسان برای تولید نانوکامپوزیتهای مگنتیت/کربن بلک با استفاده از امواج فراصوت در راستای تولید الکترود برای استفاده در خازن های الکتروشیمیایی ارائه می گردد.
لازم به ذکر است که در اینجا کربن بلک به عنوان ماده با رسانایی بالا با نانومگنتیت آمیخته میشود تا از یک سوی رسانایی کم مگنتیت برای انتقال الکترون جبران شود و از سوی دیگر سطح ویژهای برای ترسیب نانوذرات مگنتیت فراهم گردد. در این حالت از تجمع نانوذرات مغناطیسی جلوگیری می گردد و از تمام ظرفیت خازنی نانوذرات می توان بهره مند شد. نتایج حاصله نشان داد که کامپوزیت های ساخته شده علاوه بر ظرفیت شبه خازنی بالا دارای سرعت شارژ-دشارژ بالایی می باشند.
مواد و روش سنتز
برای سنتز نانوکامپوزیت های مورد نظر ابتدا مقادیر مختلفی از پودر کربن بلک را در 500 میلی لیتر آب دیونیزه که اکسیژن زدایی شده است با پروب فراصوت - با مشخصات 24 کیلوهرتز ساخت شرکت دکتر پخش می نمائیم تا جایی که محلول ساه یکنواختی حاصل گردد. در مرحله بعد مقدار مشخصی از نمک های کلرید آهن شامل 4/02 گرم از کلرید فریک شش آبه و 1/5 گرم از کلرید فرو چهار آبه به محلول کربن بلک افزوده می شود در حالی که پروب در حال ایجاد امواج فراصوت در داخل محلول همراه با دمیدن گاز آرگون می باشد.
در حین انجام این فرآیند دما تا 80 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. در مرحله بعد مقدار 50 میلی لیتر محلول 1/5 مولار هیدرواکسید سدیم به محلول مورد نظر افزوده می شود. پس از آن می گذاریم کحلول مورد نظر با انرژی فراصوت و دمیدن گاز آرگون در دمای ثابت 80 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت هم بخورد. در انتها رسوبات تشکیل شده فیلتر کرده با آب دیونیزه میشوییم و سپس در دمای محیط خشک می کنیم.
روش های شناسایی
میزان نسبت اکسید آهن مگنتیت و کربن بلک با استفاده از تکنیک جذب اتمی تعیین گردید. ساختار Fe3O4 با استفاده از پراش اشعه ایکس شناسایی شد. ریخت شناسی سطح نیز با تکنیک میکرویکوپ الکترونی روبشی انجام پذیرفته است.
اندازه گیری های الکتروشیمیایی
برای اندازه گیر های الکتروشیمیایی از دستگاه استفاده شده است. فرآیند ولتامتری با استفاده از یک سل الکتروشیمیایی سه الکترودی شامل الکترود کار کامپوزیت مگنتیت/کربن بلک، الکترود مرجع Ag/AgCl و یک صفحه پلاتین به مساحت 1 سانتی متر مربع انجام شده است. پنجره پتانسیل اندازه گیری از 0/8 تا 1/2 ولت بوده و الکترولیت مورد استفاده محلول 0/5 Na2SO4 مولار میباشد. تکنیک کرونو پتانسومتری شارژ دشارژ در دانسیته جریان های ثابت 3/0، 5/5، 11/0، 16/0 و 25/5 آمپر بر گرم انجام شده است.
