بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، لایه متخلخل اسپینل اکسید کبالت - Co3O4 - بر روی الکترود گرافیتی با استفاده از رسوب نشانی الکتروشیمیایی جریان ثابت - گالوانواستاتیک - از محلول آبی نیترات کبالت حاصل شد. ساختار متخلخل جهت افزایش مساحت سطح ویژه الکترود و در نتیجه افزایش کارایی الکتروشیمیایی ذخیره سازی انرژی می تواند مفید باشد. در این روش، از الکترود های گرافیتی و پلاتینی به ترتیب به عنوان کاتد وآند استفاده شد. لایهی اکسید کبالت - Co3O4 - پس از عملیات حرارتی هیدروکسید اولیه کبالت - CoO - OH - - دردمای300 درجه سانتی گراد به مدت دو ساعت تشکیل شد. مشخصهیابی مادهی الکترودی تشکیل شده، توسط پراش اشعه ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی - FE-SEM - و طیف نگاری فوریه مادون قرمز - FTIR - انجام شد.
مقدمه
هیدروکسیدها و اکسید کبالت طبقه مهمی از شاخص های مواد را با خواص الکتروشیمیایی ، کاتالیزوری و اپتیکی خوب تعیین می کنند. پس از عملیات حرارتی بالای 300 درجه سانتی گراد هیدرکسید کبالت معمولا به اکسید کبالت - Co3O4 - تبدیل می شود .[1] اکسید کبالت دارای ساختار اسپینل با کبالت - - در مکان تتراهدرال و کبالت - - در مکان اکتاهدرال است .اکسید کبالت ماده ای مهم برای سلول های سوختی [2] و ابرخازن ها می باشد .[3] اکسید کبالت نیمه هادی نوع P، فعالیت کاتالیستی بالایی در واکنش های اکسیداسیون دارد .[4] اکسید کبالت سیاه برای پوشش دهی موادجهت جمع اوری دمای بالای خورشید انتخاب می شود .[5] پوشش اکسید کبالت بهتر از پوشش کبالت سیاه است که معمولا استفاده می شود.
عملکرد اکسید کبالت به عنوان پوشش دهی تا دمای 1000 درجه سانتی گراد تعیین شده که تابش خورشید را متمرکز کرده و در سطح جمع می کند. برای این منظور، یک جذب انرژی خورشیدی با مقدار مادون قرمز کم مورد نیاز است. علاوه بر این، به کاربرد اکسید کبالت درباتریهای یون لیتیم قابل شارژ توجه می شود 7]،Co3O4 .[6 تا دمای 800 درجه سانتی گراد پایدار است و در دمای بالاتر از 900 درجه سانتی گراد به CoO تجزیه می شود. CoO یک ماده آنتی فرومغناطیس است که در برنامه های کاربردی الکتروآنالیز یافت می شود.
[8] به طور کلی اکسید کبالت را می توان با تکنیک های مختلفی مانند : بارش ، لکه برداری ، رسوب نیروی پالسی، سل- ژل، سنتز هیدروترمال، رسوبدهی الکتروشیمیایی و... تهیه کرد. رسوبدهی الکترو شیمیایی چندین مزایا در مقایسه با دیگر روش ها دارد 10]،:[9 لایه بسیار نازک با ترکیب خاص، هزینه کم، درجه حرارت پایین فرآیند وکنترل مستقیم ضخامت فیلم، مورفولوژی و چسبندگی خوب بین فیلم پوشش داده شده و زیرلایه. مورفولوژی نهایی و بافت الکترود های ماده، بستگی به ترکیبات الکترولیت، دما، پتانسیل الکترود یا چگالی جریان، زمان فرایند رسوب دهی و طبیعت زیر لایه - الکترود - دارد. هدف این تحقیق، ساخت الکترود متخلخلی از اکسید کبالت به روشی ساده و بدون استفاده از بایندر است که این الکترود میتواند در اکثر سیستمهای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی مانند باتریهای لیتیم- یون و ابرخازن ها مورد استفاده قرار بگیرد. مشخصهیابی الکترود تهیه شده نیز در نهایت با استفاده از آزمونهای XRD، FTIR و FESEM انجام خواهد شد.
مواد و روش تحقیق
ابتدا گرافیت به ضخامت 0 /5 میلی متر در ابعاد 1×4 سانتیمتر بریده می شود. سپس با سمباده های 800، 1200 و 1500 پولیش زده می شود. برای از بین بردن الودگی و ذرات کربنی که تخلخلهای الکترود را پر کردهاند، الکترودهای گرافیتی اسید شویی میشوند. برای این کار گرافیت ها را در نیتریک اسید 5 - HNO 3 - درصد به مدت 12ساعت در دمای 100 درجه سانتی گراد قرار می دهیم، درادامه الکترود ها را چندین بار با آب و اتانول شستشو داده و در حمام التراسونیک قرار داده می شوند.
در پایان برای خشک کردن گرافیتها، آنها را در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 12 ساعت درون اون قرار می دهیم. فرایند الکتروشیمیایی رسوبدهی تحت شرایط گالوانواستاتیک - جریان ثابت - انجام میشود و برای این منظور از یک سلول الکتروشیمیایی دو الکترودی که الکترود کاتدآن گرافیت و الکترود آندآن پلاتین است، استفاده می شود،که فاصله بین دو الکترود یک سانتی متراست. برای تهیه الکترولیت ، نیترات کبالت 0/9 - مولار - در 100 میلی لیتر آب مقطر حل می شود. فرایند رسوب نشانی با جریان ⁄ 1 و به مدت 10 دقیقه انجام شده و لایه هیدوکسید کبالت بر روی کاتد تشکیل میشود.
برای تبدیل هیدروکسید کبالت - CoO - OH - - به اکسید کبالت، گرافیت پوشش داده شده به مدت دو ساعت در دمای 300 درجه سانتی گراد در کوره تحت اتمسفر هوا قرار داده می شود . بررسی فازی مواد الکترود با استفاده از پراش اشعه ایکس - XRD,Philips,PW-3710 - و اشعه CuK صورت می-گیرد. همچنین، ساختار ماده فعال اکسید کبالت به دست آمده توسط طیف نگاری تبدیل فوریه مادون قرمز - FTIR - مورد ارزیابی قرار گرفت. برای این کار ابتدا پوشش داده شده بر روی سطح الکترود گرافیتی تراشیده شد و پودر حاصله مورد مشخصه یابی توسط این آزمون قرار گرفت. برای مشاهده مورفولوژی لایه پوشش داده شده از عکس های میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی - FE-SEM,Mira 3-XMU - استفاده شد.
نتایج و بحث
الگوی XRD اکسید کبالت پوشش داده شده برروی الکترود گرافیتی با فرایند الکتروشیمیایی کاتدی که در دمای 300 درجه سانتی گراد به مدت دوساعت عملیات حرارتی داده شده ،در شکل 1 نشان داده شده است. به جز پیک های قوی زیر لایه گرافیت، پیک های پراش در 19، 31/5، 36/9، 38/6، 59/7 و 65/6 میتواند فاز مکعبی استاندارد Co3O4 را نشان دهد - کارت JCPDS کد . - 42-1467 پیک های زیر، پیک های مشخصه اسپینل Co3O4 است.
این پیکها در حقیقت پیک های پراش - 111 - ، - 220 - ، - 311 - ، - 222 - ، - 511 - و - 440 - می باشند که همه ی آن ها مطابق با ماده Co3O4 ثبت شده می باشد .[11] مطابق نتایج XRD متوجه میشویم که ماده فعال اکسید کبالت به درستی توسط یک فرآیند دومرحلهای رسوب نشانی الکتروشیمیایی جریان ثابت و عملیات حرارتی در دمای 300 درجه سانتیگراد بر روی الکترود گرافیتی لایهنشانی شده است.
