«Ефект попкорну»: отримання високоактивного високодисперсного гідроксиду нікелу мікрохвильовою обробкою вологого осаду

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/10.15587/1729-4061.2018.143126

Ключові слова:

гідроксид нікелю, питома ємність, суперконденсатор, мікрохвильоваа обробка, питома поверхня, старіння

Анотація

Гідроксид нікелю широко використовується як активна речовина суперконденсаторів. Найбільш активними є зразки Ni(OH)2 (α+β) шарової структури, синтезовані в щілинному діафрагмовому електролізері (ЩДЕ). Однак при фільтруванні та висушуванні протікають процеси, що призводять до зниження електрохімічної активності. Вивчено вплив активуючої мікрохвильової обробки (від 0,5 до 5 хв) на структуру, морфологію поверхні, порувату структуру та електрохімічні властивості зразків гідроксиду нікелю, синтезованих в щілинному діафрагмовому електролізері. Запропонована гіпотеза щодо існування «ефекту попкорну»: при короткотривалій мікрохвильовій обробці вологого зразка випромінюванням високої потужності відбудеться закипання води та мікровибух в середині зразку. Оброблені та необроблені зразки вивчені методами рентгенофазового аналізу (РФА), скануючої електронної мікроскопії та адсорбції – десорбції азоту по методу БЕТ. Електрохімічні характеристики визначені гальваностатичним зарядно-розрядним циклуванням в режимі суперконденсатора. Існування «ефекту попкорну» було доведено збільшенням товщини зразку після мікрохвильової обробки в 1,94 раза, питомої поверхні в 2,13 раза, об’єму пор в 2,66 раза та середнього радіуса пор в 1,46 раза. Показано, що збільшення часу обробки до 2–5 хв призводить до мікрохвильової сушки. Методом РФА доведено протікання процесів старіння гідроксиду нікелю при термічному сушінні та відсутність процесів старіння при мікрохвильовому сушінні та реалізації «ефекту попкорну». Як результат, утворюються рентгеноаморфні зразки. Проведено порівняльний аналіз електрохімічних характеристик оброблених та необроблених зразків Ni(OH)2. Показано підвищення питомої ємності оброблених зразків при високій густині струму циклювания (80 и 120 мА/см2): при мікрохвильовому висушуванні на 10,9 %, при «ефекті попкорну» на 24–42 %. Максимальна питома ємність 231,1 Ф/г отримана для зразка із доведеним максимальним степенем реалізації «ефекту попкорну». Однак виявлено дезактивацію порошків гідроксиду нікелю, оброблених мікрохвильовим випромінюванням, при низьких густинах струму циклування. Це явище пов’язано із термічною обробкою поверхні частинок при різкому нагріванні та закипанні води. Для запобігання даного негативного впливу необхідно збільшити потужність мікрохвильового випромінювання для зниження часу обробки

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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/10.1149/1.1393480
  12. Jayashree, R. S., Kamath, P. V. (1999). Factors governing the electrochemical synthesis of α-nickel (II) hydroxide. Journal of Applied Electrochemistry, 29 (4), 449–454. doi: https://doi.org/10.1023/a:1003493711239
  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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.97371
  21. Vidotti, M., Torresi, R., Torresi, S. I. C. de. (2010). Nickel hydroxide modified electrodes: a review study concerning its structural and electrochemical properties aiming the application in electrocatalysis, electrochromism and secondary batteries. Química Nova, 33 (10), 2176–2186. doi: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.125886
  30. 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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109770
  31. 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: https://doi.org/10.1007/s11029-014-9408-0
  32. 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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.79559
  33. 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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.103010
  34. 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.
  35. Li, L., Seng, K. H., Liu, H., Nevirkovets, I. P., Guo, Z. (2013). Synthesis of Mn3O4-anchored graphene sheet nanocomposites via a facile, fast microwave hydrothermal method and their supercapacitive behavior. Electrochimica Acta, 87, 801–808. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.08.127
  36. Zhang, X., Sun, X., Zhang, H., Zhang, D., Ma, Y. (2013). Microwave-assisted reflux rapid synthesis of MnO2 nanostructures and their application in supercapacitors. Electrochimica Acta, 87, 637–644. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.10.022
  37. Ming, B., Li, J., Kang, F., Pang, G., Zhang, Y., Chen, L. et. al. (2012). Microwave–hydrothermal synthesis of birnessite-type MnO2 nanospheres as supercapacitor electrode materials. Journal of Power Sources, 198, 428–431. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.10.003
  38. Zhu, Z., Wei, N., Liu, H., He, Z. (2011). Microwave-assisted hydrothermal synthesis of Ni(OH)2 architectures and their in situ thermal convention to NiO. Advanced Powder Technology, 22 (3), 422–426. doi: https://doi.org/10.1016/j.apt.2010.06.008
  39. Mondal, A. K., Su, D., Chen, S., Zhang, J., Ung, A., Wang, G. (2014). Microwave-assisted synthesis of spherical β-Ni(OH) 2 superstructures for electrochemical capacitors with excellent cycling stability. Chemical Physics Letters, 610-611, 115–120. doi: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2014.07.025
  40. Yan, J., Fan, Z., Sun, W., Ning, G., Wei, T., Zhang, Q. et. al. (2012). Advanced Asymmetric Supercapacitors Based on Ni(OH)2/Graphene and Porous Graphene Electrodes with High Energy Density. Advanced Functional Materials, 22 (12), 2632–2641. doi: https://doi.org/10.1002/adfm.201102839
  41. Xu, L., Ding, Y.-S., Chen, C.-H., Zhao, L., Rimkus, C., Joesten, R., Suib, S. L. (2008). 3D Flowerlike α-Nickel Hydroxide with Enhanced Electrochemical Activity Synthesized by Microwave-Assisted Hydrothermal Method. Chemistry of Materials, 20 (1), 308–316. doi: https://doi.org/10.1021/cm702207w
  42. Zhang, X., Li, C., Miao, W., Sun, X., Wang, K., Ma, Y. (2015). Microwave-assisted synthesis of 3D flowerlike α-Ni(OH)2 nanostructures for supercapacitor application. Science China Technological Sciences, 58 (11), 1871–1876. doi: https://doi.org/10.1007/s11431-015-5934-9
  43. Xu, J., Dong, Y., Cao, J., Guo, B., Wang, W., Chen, Z. (2013). Microwave-incorporated hydrothermal synthesis of urchin-like Ni(OH)2–Co(OH)2 hollow microspheres and their supercapacitor applications. Electrochimica Acta, 114, 76–82. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.161
  44. Araszkiewicz, M., Koziol, A., Oskwarek, A., Lupinski, M. (2004). Microwave Drying of Porous Materials. Drying Technology, 22 (10), 2331–2341. doi: https://doi.org/10.1081/drt-200040014
  45. Jeanolovicius, L. A., Senise, J. T., do Nascimento, R. B. (2007). Microwave drying of zinc sulfate. 2007 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference. 2007. doi: https://doi.org/10.1109/imoc.2007.4404264
  46. González, M. D., Cesteros, Y., Salagre, P. (2010). Effect of microwaves on the surface and acidic properties of dealuminated zeolites. Physics Procedia, 8, 104–108. doi: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2010.10.019
  47. Pinheiro, L. B., Martinelli, A. E., Fonseca, F. C. (2014). Effects of Microwave Processing on the Properties of Nickel Oxide/Zirconia/Ceria Composites. Advanced Materials Research, 975, 154–159. doi: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.975.154
  48. Soler-Illia, G. J. de A. A., Jobbágy, M., Regazzoni, A. E., Blesa, M. A. (1999). Synthesis of Nickel Hydroxide by Homogeneous Alkalinization. Precipitation Mechanism. Chemistry of Materials, 11 (11), 3140–3146. doi: https://doi.org/10.1021/cm9902220
  49. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Influence of ultrasound and template on the properties of nickel hydroxide as an active substance of supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (93)), 32–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548
  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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.90810

##submission.downloads##

Опубліковано

2018-09-26

Як цитувати

Kovalenko, V., & Kotok, V. (2018). «Ефект попкорну»: отримання високоактивного високодисперсного гідроксиду нікелу мікрохвильовою обробкою вологого осаду. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(6 (95), 12–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.143126

Номер

Том 5 № 6 (95) (2018): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

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.