Вплив ультразвуку та темпланту на властивості гідроксиду нікелю як активної речовини суперкоденсаторів

Автор(и)

  • Vadym Kovalenko Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої освіти "Вятський державний університет" вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000, Україна https://orcid.org/0000-0002-8012-6732
  • Valerii Kotok Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої освіти "Вятський державний університет" вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000, Україна https://orcid.org/0000-0001-8879-7189

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548

Ключові слова:

гідроксид нікелю, питома ємність, суперконденсатор, ультразвукова обробка, темплатний синтез, полівініловий спирт

Анотація

Гідроксид нікелю широко використовується як активна речовина суперконденсаторів. Наибільш активними є зразки Ni(OH)2 (α+β) шарової структури, синтезовані в щілинному діафрагмовому електролізері (ЩДЕ). Проведено вивчення впливу темплатного синтезу та ультразвуку на властивості зразків. Проведено синтез зразків гідроксиду нікелю при введенні полівінілового спирту в якості темплату та використанні ультразвукової обробки суспензії Ni(OH)2 безпосередньо післе формування. Синтезовані зразки гідроксиду нікеля вивчені методами рентгенофазового аналіза, скануючої электроної мікроскопії і адсорбції – десорбції азоту по методу БЕТ. Електрохімічні характеристики визначені гальваностатическим зарядно-разрядним циклюванням в режимі суперконденсатора. Порівняльний аналіз характеристик зразків Ni(OH)2 показав как позитивний, так і негативний вплив темплату та ультразвука. Використання ПВС як темплата та ультразвукової обробки веде до різкого зниження питомої поверхні (до 6 м2/г) та збільшенню середнього діаметра пор (до 1181 Ǻ) Використання темплатного синтезу та ультразвуку знижує кристалличность та збільшує долю α-модификації, що дозволяє збільшити питому ємність. Максимальне значення 233 Ф/г отримано при густині струму 40 мА/см2 для зразка, що отриманий при спільній дії ультразвуку і темплату. В цих умовах питома ємність зразка, синтезованого без темплату та ультразвуку, складає 76 Ф/г. Однак при підвищенні густини струму до 120 мА/см2 ємність даного зразка збільшується до 303 Ф/г. В той же час для зразків, синтезированих з темплатом та ультразвуком, при підвищенні густини струму спостерігається зниження ємності, що пов’язано з ускладненням розпаду агломератів частинок. У випадку використання темплату це може бути пояснено зв’язуючим ефектом залишків ПВС, що не були видалені, у випадку використання ультразвуку – ущільненням та спресовуванням частинок. По результатам порівняльного аналізу рекомендовано вибрати темплат, що легше видаляється та провести отримання Ni(OH)2 в ЩДЕ безпосередньо в ультразвуковому полі та збільшити потужність випромінювача

Біографії авторів

Vadym Kovalenko, Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої освіти "Вятський державний університет" вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок і косметичних засобів

Кафедра технології неорганічних речовин та технологій електрохімічних виробництв

Valerii Kotok, Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої освіти "Вятський державний університет" вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра процесів і апаратів, та загальної хімічної технології

Кафедра технології неорганічних речовин та технологій електрохімічних виробництв

Посилання

  1. Simon, P., Gogotsi, Y. (2008). Materials for electrochemical capacitors. Nature Materials, 7 (11), 845–854. doi: 10.1038/nmat2297
  2. Burke, A. (2007). R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta, 53 (3), 1083–1091. doi: 10.1016/j.electacta.2007.01.011
  3. Lang, J.-W., Kong, L.-B., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2009). Asymmetric supercapacitors based on stabilized α-Ni(OH)2 and activated carbon. Journal of Solid State Electrochemistry, 14 (8), 1533–1539. doi: 10.1007/s10008-009-0984-1
  4. Lang, J.-W., Kong, L.-B., Wu, W.-J., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2008). A facile approach to the preparation of loose-packed Ni(OH)2 nanoflake materials for electrochemical capacitors. Journal of Solid State Electrochemistry, 13 (2), 333–340. doi: 10.1007/s10008-008-0560-0
  5. Aghazadeh, M., Ghaemi, M., Sabour, B., Dalvand, S. (2014). Electrochemical preparation of α-Ni(OH)2 ultrafine nanoparticles for high-performance supercapacitors. Journal of Solid State Electrochemistry, 18 (6), 1569–1584. doi: 10.1007/s10008-014-2381-7
  6. Zheng, C., Liu, X., Chen, Z., Wu, Z., Fang, D. (2014). Excellent supercapacitive performance of a reduced graphene oxide/Ni(OH)2 composite synthesized by a facile hydrothermal route. Journal of Central South University, 21 (7), 2596–2603. doi: 10.1007/s11771-014-2218-7
  7. Wang, B., Williams, G. R., Chang, Z., Jiang, M., Liu, J., Lei, X., Sun, X. (2014). Hierarchical NiAl Layered Double Hydroxide/Multiwalled Carbon Nanotube/Nickel Foam Electrodes with Excellent Pseudocapacitive Properties. ACS Applied Materials & Interfaces, 6 (18), 16304–16311. doi: 10.1021/am504530e
  8. Kovalenko, V., Kotok, V., Bolotin, O. (2016). Definition of factors influencing on Ni(OH)2 electrochemical characteristics for supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (6 (83)), 17–22. doi: 10.15587/1729-4061.2016.79406
  9. Ramesh, T. N., Kamath, P. V., Shivakumara, C. (2005). Correlation of Structural Disorder with the Reversible Discharge Capacity of Nickel Hydroxide Electrode. Journal of The Electrochemical Society, 152 (4), A806. doi: 10.1149/1.1865852
  10. Zhao, Y., Zhu, Z., Zhuang, Q.-K. (2005). The relationship of spherical nano-Ni(OH)2 microstructure with its voltammetric behavior. Journal of Solid State Electrochemistry, 10 (11), 914–919. doi: 10.1007/s10008-005-0035-5
  11. Jayashree, R. S., Kamath, P. V., Subbanna, G. N. (2000). The Effect of Crystallinity on the Reversible Discharge Capacity of Nickel Hydroxide. Journal of The Electrochemical Society, 147 (6), 2029. doi: 10.1149/1.1393480
  12. Jayashree, R.S., Vishnu Kamath, P. (1999) Factors governing the electrochemical synthesis of a-nickel (II) hydroxide. J. Appl. Electrochem. 29, 449-454.
  13. Ramesh, T. N., Kamath, P. V. (2006). Synthesis of nickel hydroxide: Effect of precipitation conditions on phase selectivity and structural disorder. Journal of Power Sources, 156 (2), 655–661. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.05.050
  14. Rajamathi, M., Vishnu Kamath, P., Seshadri, R. (2000). Polymorphism in nickel hydroxide: role of interstratification. Journal of Materials Chemistry, 10 (2), 503–506. doi: 10.1039/a905651c
  15. Hu, M., Yang, Z., Lei, L., Sun, Y. (2011). Structural transformation and its effects on the electrochemical performances of a layered double hydroxide. Journal of Power Sources, 196 (3), 1569–1577. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.041
  16. Solovov, V., Kovalenko, V., Nikolenko, N., Kotok, V., Vlasova, E. (2017). Influence of temperature on the characteristics of Ni(II), Ti(IV) layered double hydroxides synthesised by different methods. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (85)), 16–22. doi: 10.15587/1729-4061.2017.90873
  17. Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Study of the influence of the template concentration under homogeneous precepitation on the properties of Ni(OH)2 for supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (6 (88)), 17–22. doi: 10.15587/1729-4061.2017.106813
  18. Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Obtaining of Ni–Al layered double hydroxide by slit diaphragm electrolyzer. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (86)), 11–17. doi: 10.15587/1729-4061.2017.95699
  19. Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). The properties investigation of the faradaic supercapacitor electrode formed on foamed nickel substrate with polyvinyl alcohol using. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (88)), 31–37. doi: 10.15587/1729-4061.2017.108839
  20. Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). The electrochemical cathodic template synthesis of nickel hydroxide thin films for electrochromic devices: role of temperature. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (11 (86)), 28–34. doi: 10.15587/1729-4061.2017.97371
  21. Vidotti, M., Torresi, R., Torresi, S. I. C. de. (2010). Eletrodos modificados por hidróxido de níquel: um estudo de revisão sobre suas propriedades estruturais e eletroquímicas visando suas aplicações em eletrocatálise, eletrocromismo e baterias secundárias. Química Nova, 33 (10), 2176–2186. doi: 10.1590/s0100-40422010001000030
  22. Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Definition of effectiveness of β-Ni(OH)2 application in the alkaline secondary cells and hybrid supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (6 (89)), 17–22. doi: 10.15587/1729-4061.2017.110390
  23. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Poirier, S., Bock, C., MacDougall, B. R. (2012). Raman and Infrared Spectroscopy of α and β Phases of Thin Nickel Hydroxide Films Electrochemically Formed on Nickel. The Journal of Physical Chemistry A, 116 (25), 6771–6784. doi: 10.1021/jp303546r
  24. Hermet, P., Gourrier, L., Bantignies, J.-L., Ravot, D., Michel, T., Deabate, S. et. al. (2011). Dielectric, magnetic, and phonon properties of nickel hydroxide. Physical Review B, 84 (23). doi: 10.1103/physrevb.84.235211
  25. Gourrier, L., Deabate, S., Michel, T., Paillet, M., Hermet, P., Bantignies, J.-L., Henn, F. (2011). Characterization of Unusually Large “Pseudo-Single Crystal” of β-Nickel Hydroxide. The Journal of Physical Chemistry C, 115 (30), 15067–15074. doi: 10.1021/jp203222t
  26. Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A. A., Mudryi, I. A., Ananchenko, B. A., Burkov, A. A. et. al. (2016). Nickel hydroxide obtained by high-temperature two-step synthesis as an effective material for supercapacitor applications. Journal of Solid State Electrochemistry, 21 (3), 683–691. doi: 10.1007/s10008-016-3405-2
  27. Miao, C., Zhu, Y., Zhao, T., Jian, X., Li, W. (2015). Synthesis and electrochemical performance of mixed phase α/β nickel hydroxide by codoping with Ca2+ and PO4 3−. Ionics, 21 (12), 3201–3208. doi: 10.1007/s11581-015-1507-y
  28. Li, Y., Yao, J., Zhu, Y., Zou, Z., Wang, H. (2012). Synthesis and electrochemical performance of mixed phase α/β nickel hydroxide. Journal of Power Sources, 203, 177–183. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.11.081
  29. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Comparative investigation of electrochemically synthesized (α+β) layered nickel hydroxide with mixture of α-Ni(OH)2 and β-Ni(OH)2. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (92)), 16–22. doi: 10.15587/1729-4061.2018.125886
  30. Burmistr, M. V., Boiko, V. S., Lipko, E. O., Gerasimenko, K. O., Gomza, Y. P., Vesnin, R. L. et. al. (2014). Antifriction and Construction Materials Based on Modified Phenol-Formaldehyde Resins Reinforced with Mineral and Synthetic Fibrous Fillers. Mechanics of Composite Materials, 50 (2), 213–222. doi: 10.1007/s11029-014-9408-0
  31. Vlasova, E., Kovalenko, V., Kotok, V., Vlasov, S. (2016). Research of the mechanism of formation and properties of tripolyphosphate coating on the steel basis. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (5 (83)), 33–39. doi: 10.15587/1729-4061.2016.79559
  32. Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). Electrochromism of Ni(OH)2 films obtained by cathode template method with addition of Al, Zn, Co ions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (87)), 38–43. doi: 10.15587/1729-4061.2017.103010
  33. Kotok, V. A., Kovalenko, V. L., Kovalenko, P. V., Solovov, V. A., Deabate, S., Mehdi, A. et. al. (2017). Advanced electrochromic Ni(OH)2/PVA films formed by electrochemical template synthesis. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12 (13), 3962–3977.
  34. Abbas, S. A., Iqbal, M. I., Kim, S.-H., Abbas Khan, H., Jung, K.-D. (2018). Facile synthesis of alfa-nickel hydroxide by an ultrasound-assisted method and its application in energy storage devices. Applied Surface Science. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.03.036
  35. Ertaş, F. S., Kaş, R., Ünal, U., Birer, Ö. (2013). Sonochemical synthesis and electrochemical characterization of α-nickel hydroxide: precursor effects. Journal of Solid State Electrochemistry, 17 (5), 1455–1462. doi: 10.1007/s10008-013-2017-3
  36. Song, Q. S., Li, Y. Y., Chan, S. L. I. (2005). Physical and electrochemical characteristics of nanostructured nickel hydroxide powder. Journal of Applied Electrochemistry, 35 (2), 157–162. doi: 10.1007/s10800-004-6301-x
  37. Duraisamy, N., Numan, A., Fatin, S. O., Ramesh, K., Ramesh, S. (2016). Facile sonochemical synthesis of nanostructured NiO with different particle sizes and its electrochemical properties for supercapacitor application. Journal of Colloid and Interface Science, 471, 136–144. doi: 10.1016/j.jcis.2016.03.013
  38. Ertaş, F. S., Saraç, F. E., Ünal, U., Birer, Ö. (2015). Ultrasound-assisted hexamethylenetetramine decomposition for the synthesis of alpha nickel hydroxide intercalated with different anions. Journal of Solid State Electrochemistry, 19 (10), 3067–3077. doi: 10.1007/s10008-015-2929-1
  39. Numan, A., Duraisamy, N., Saiha Omar, F., Gopi, D., Ramesh, K., Ramesh, S. (2017). Sonochemical synthesis of nanostructured nickel hydroxide as an electrode material for improved electrochemical energy storage application. Progress in Natural Science: Materials International, 27 (4), 416–423. doi: 10.1016/j.pnsc.2017.06.003
  40. Cabanas-Polo, S., Suslick, K. S., Sanchez-Herencia, A. J. (2011). Effect of reaction conditions on size and morphology of ultrasonically prepared Ni(OH)2 powders. Ultrasonics Sonochemistry, 18 (4), 901–906. doi: 10.1016/j.ultsonch.2010.11.017
  41. Alammar, T., Shekhah, O., Wohlgemuth, J., Mudring, A.-V. (2012). Ultrasound-assisted synthesis of mesoporous β-Ni(OH)2 and NiO nano-sheets using ionic liquids. Journal of Materials Chemistry, 22 (35), 18252. doi: 10.1039/c2jm32849f
  42. Vasserman, I. N. (1980). Khimicheskoe osazdenie is rastvorov [Chemical precipitation from solutions]. Leningrad: Khimiya, 208.
  43. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. (2014). Nickel hydroxides and related materials: a review of their structures, synthesis and properties. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 471 (2174), 20140792–20140792. doi: 10.1098/rspa.2014.0792
  44. Kotok, V., Kovalenko, V., Malyshev, V. (2017). Comparison of oxygen evolution parameters on different types of nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (89)), 12–19. doi: 10.15587/1729-4061.2017.109770
  45. Ecsedi, Z., Lazău, I., Păcurariu, C. (2007). Synthesis of mesoporous alumina using polyvinyl alcohol template as porosity control additive. Processing and Application of Ceramics, 1 (1-2), 5–9. doi: 10.2298/pac0702005e
  46. Pon-On, W., Meejoo, S., Tang, I.-M. (2008). Formation of hydroxyapatite crystallites using organic template of polyvinyl alcohol (PVA) and sodium dodecyl sulfate (SDS). Materials Chemistry and Physics, 112 (2), 453–460. doi: 10.1016/j.matchemphys.2008.05.082
  47. Miyake, K., Hirota, Y., Uchida, Y., Nishiyama, N. (2016). Synthesis of mesoporous MFI zeolite using PVA as a secondary template. Journal of Porous Materials, 23 (5), 1395–1399. doi: 10.1007/s10934-016-0199-7
  48. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of multilayered electrochromic platings based on nickel and cobalt hydroxides. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (91)), 29–35. doi: 10.15587/1729-4061.2018.121679
  49. Parkhomchuk, E. V., Sashkina, K. A., Rudina, N. A., Kulikovskaya, N. A., Parmon, V. N. (2013). Template synthesis of 3D-structured macroporous oxides and hierarchical zeolites. Catalysis in Industry, 5 (1), 80–89. doi: 10.1134/s2070050412040150
  50. Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). Optimization of nickel hydroxide electrode of the hybrid supercapacitor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (85)), 4–9. doi: 10.15587/1729-4061.2017.90810

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-06-13

Як цитувати

Kovalenko, V., & Kotok, V. (2018). Вплив ультразвуку та темпланту на властивості гідроксиду нікелю як активної речовини суперкоденсаторів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(12 (93), 32–39. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548

Номер

Том 3 № 12 (93) (2018): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2018 Vadym Kovalenko, Valerii Kotok

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.