Аніонна карбонатна активація шарового (α+β) гідроксиду нікелю

Автор(и)

  • Vadym Kovalenko Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 В’ятський 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 В’ятський державний університет вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000, Україна https://orcid.org/0000-0001-8879-7189

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.169461

Ключові слова:

карбонат, активація, гідроксид нікелю, шарова (α β) структура, лужний акумулятор, щілинний діафрагмовий електролізер

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). Вивчена можливість карбонатної активації шаруватого (α+β) Ni(OH)2 шляхом синтезу зразків в щілинному діафрагмовому електролізері при використанні в якості аноліту суміші натрій гідроксиду з натрій карбонатом. Мольну частку карбонату натрію в суміші NaOH+Na2CO3 контролювали ацидіметричним титруванням в присутності двох індикаторів. Синтез зразків гідроксиду нікелю проводили при мольній долі карбонату натрію від 0,16 (NaOH без додаткового введення карбонату) до 0,83. Кристалічна структура зразків вивчена методом ренгенофазового аналізу, електрохімічні характеристики – методами циклічної вольтамперометрії та гальваностатичного зарядно-розрядного циклування в акумуляторному режимі. Методом ренгенофазового аналізу показано, що при збільшенні мольної частки карбонату в аноліті до 0,49 кристалічність монофазної шаруватої (α+β) модифікації збільшується. Виявлено, що при подальшому підвищені частки карбонату відбувається різка аморфізація структури зразків в результаті часткового розпаду решітки гідроксиду з утворенням основних солей та формуванням біфазної системи. Цей висновок підтверджується даними циклічної вольтамперометрії та розрядними кривими. Вивчення електрохімічних характеристик показало, що до мольної частки карбонату 0,39 відбувається карбонатна активація гідроксиду зі збільшенням питомої ємності. Збільшення частки карбонату до 0,49 призводить до зниження питомої ємності, а подальше підвищення вмісту карбонату призводить до розпаду гідроксиду до основних солей і суттєвому зниженню електрохімічної активності. Для досягнення максимального активуючого ефекту оптимальна мольна частка карбонату натрію  повинна становити 40 %. Зразок гідроксиду нікелю, синтезованого в даних оптимальних умовах, має питому ємність 234 мА·год/г та високу активуємість сполуками кобальту, питома ємність зростає до 254 мА·год/г

Біографії авторів

Vadym Kovalenko, Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 В’ятський державний університет вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок та косметичних засобів

Старший науковий співробітник

Центр компетенцій «Екологічні технології та системи»

Valerii Kotok, Український державний хіміко-технологічний університет пр. Гагаріна, 8, м. Дніпро, Україна, 49005 В’ятський державний університет вул. Московська, 36, м. Кіров, Російська Федерація, 610000

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра процесів і апаратів, та загальної хімічної технології

Старший науковий співробітник

Центр компетенцій «Екологічні технології та системи»

Посилання

  1. 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: https://doi.org/10.1098/rspa.2014.0792
  2. 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
  3. Chen, J. (1999). Nickel Hydroxide as an Active Material for the Positive Electrode in Rechargeable Alkaline Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 146 (10), 3606. doi: https://doi.org/10.1149/1.1392522
  4. Sun, Y.-K., Lee, D.-J., Lee, Y. J., Chen, Z., Myung, S.-T. (2013). Cobalt-Free Nickel Rich Layered Oxide Cathodes for Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Materials & Interfaces, 5 (21), 11434–11440. doi: https://doi.org/10.1021/am403684z
  5. Lang, J.-W., Kong, L.-B., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2010). 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
  6. Lang, J.-W., Kong, L.-B., Wu, W.-J., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2009). 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
  7. 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
  8. 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), 2569–2603. doi: https://doi.org/10.1007/s11771-014-2218-7
  9. 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
  10. 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
  11. Kotok, V. A., Kovalenko, V. L., Solovov, V. A., Kovalenko, P. V., Ananchenko, B. A. (2018). Effect of deposition time on properties of electrochromic nickel hydroxide films prepared by cathodic template synthesis. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (9), 3076–3086.
  12. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of the effect of tungstate ions on the electrochromic properties of Ni(OH)2 films. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (95)), 18–24. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145223
  13. Wang, Y., Zhang, D., Peng, W., Liu, L., Li, M. (2011). Electrocatalytic oxidation of methanol at Ni–Al layered double hydroxide film modified electrode in alkaline medium. Electrochimica Acta, 56 (16), 5754–5758. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.04.049
  14. Huang, W., Li, Z. L., Peng, Y. D., Chen, S., Zheng, J. F., Niu, Z. J. (2005). Oscillatory electrocatalytic oxidation of methanol on an Ni(OH)2 film electrode. Journal of Solid State Electrochemistry, 9 (5), 284–289. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-004-0599-5
  15. Fan, Y., Yang, Z., Cao, X., Liu, P., Chen, S., Cao, Z. (2014). Hierarchical Macro-Mesoporous Ni(OH)2 for Nonenzymatic Electrochemical Sensing of Glucose. Journal of the Electrochemical Society, 161 (10), B201–B206. doi: https://doi.org/10.1149/2.0251410jes
  16. Miao, Y., Ouyang, L., Zhou, S., Xu, L., Yang, Z., Xiao, M., Ouyang, R. (2014). Electrocatalysis and electroanalysis of nickel, its oxides, hydroxides and oxyhydroxides toward small molecules. Biosensors and Bioelectronics, 53, 428–439. doi: https://doi.org/10.1016/j.bios.2013.10.008
  17. 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
  18. Zhao, Y., Zhu, Z., Zhuang, Q.-K. (2006). 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. Córdoba de Torresi, S. I., Provazi, K., Malta, M., Torresi, R. M. (2001). Effect of Additives in the Stabilization of the α Phase of Ni(OH)2 Electrodes. Journal of The Electrochemical Society, 148 (10), A1179–A1184. doi: https://doi.org/10.1149/1.1403731
  25. Zhang, Z., Zhu, Y., Bao, J., Zhou, Z., Lin, X., Zheng, H. (2012). Structural and Electrochemical Performance of Additives-doped α-Ni(OH)2. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 27 (3), 538–541. doi: https://doi.org/10.1007/s11595-012-0500-9
  26. Sugimoto, A., Ishida, S., Kenzo, H. (1999). Preparation and Characterization of Ni/Al-Layered Double Hydroxide. Journal of The Electrochemical Society, 146 (4), 1251–1255. doi: https://doi.org/10.1149/1.1391754
  27. Zhen, F. Z., Quan, J. W., Min, Y. L., Peng, Z., Jun, J. L. (2004). A study on the structure and electrochemical characteristics of a Ni/Al double hydroxide. Metals and Materials International, 10 (5), 485–488. doi: https://doi.org/10.1007/bf03027353
  28. Liu, B., Wang, X. Y., Yuan, H. T., Zhang, Y. S., Song, D. Y., Zhou, Z. X. (1999). Physical and electrochemical characteristics of aluminium-substituted nickel hydroxide. Journal of Applied Electrochemistry, 29 (7), 853–858. doi: https://doi.org/10.1023/a:1003537900947
  29. Caravaggio, G. A., Detellier, C., Wronski, Z. (2001). Synthesis, stability and electrochemical properties of NiAl and NiV layered double hydroxides. Journal of Materials Chemistry, 11 (3), 912–921. doi: https://doi.org/10.1039/b004542j
  30. Li, Y. W., Yao, J. H., Liu, C. J., Zhao, W. M., Deng, W. X., Zhong, S. K. (2010). Effect of interlayer anions on the electrochemical performance of Al-substituted α-type nickel hydroxide electrodes. International Journal of Hydrogen Energy, 35 (6), 2539–2545. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.01.015
  31. Zhao, Y. L., Wang, J. M., Chen, H., Pan, T., Zhang, J. Q., Cao, C. N. (2004). Al-substituted α-nickel hydroxide prepared by homogeneous precipitation method with urea. International Journal of Hydrogen Energy, 29 (8), 889–896. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2003.10.006
  32. Lei, L., Hu, M., Gao, X., Sun, Y. (2008). The effect of the interlayer anions on the electrochemical performance of layered double hydroxide electrode materials. Electrochimica Acta, 54 (2), 671–676. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.07.004
  33. Faour, A., Mousty, C., Prevot, V., Devouard, B., De Roy, A., Bordet, P. et. al. (2012). Correlation among Structure, Microstructure, and Electrochemical Properties of NiAl–CO3 Layered Double Hydroxide Thin Films. The Journal of Physical Chemistry C, 116 (29), 15646–15659. doi: https://doi.org/10.1021/jp300780w
  34. Kotok, V., Kovalenko, V., Vlasov, S. (2018). Investigation of Ni–Al hydroxide with silver addition as an active substance of alkaline batteries. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (93)), 6–11. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133465
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. Li, J., Luo, F., Tian, X., Lei, Y., Yuan, H., Xiao, D. (2013). A facile approach to synthesis coral-like nanoporous β-Ni(OH) 2 and its supercapacitor application. Journal of Power Sources, 243, 721–727. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.172
  39. 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
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  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: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109770
  45. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). Definition of the aging process parameters for nickel hydroxide in the alkaline medium. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (12 (92)), 54–60. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.127764
  46. 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
  47. 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
  48. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Influence of the carbonate ion on characteristics of electrochemically synthesized layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (97)), 40–46. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155738
  49. Volynskii, V. V., Volynskii, V. A., Merzlova, E. V., Popova, S. S. (1999). On the mechanism of joint effect of zinc and cobalt compounds on parameters of nickel-cadmium batteries. Russian Journal of Applied Chemistry, 72 (6), 1008–1011.
  50. Ezhov, B. B., Malandin, O. G. (1991). Structure modification and change of electrochemical activity of nickel hydroxides. Journal of The Electrochemical Society, 138 (4), 885–889. doi: https://doi.org/10.1149/1.2085741
  51. Ezhov, B. B., Rozovskiy, V. M. (1991). Anions as activatore for nickel hydroxides electrode. 42th Meet. of the Int. Soc. Electrochem. Montreux, Abstract No. 7-026.
  52. Ezhov, B. B., Rozovskiy, V. M. (1991). Anionic activation of the nickel hydroxide electrode used in alkaline storage batteries. 33rd IUPAC Congress. Budapest, Abstract No. 3030.
  53. Kovalenko, V., Kotok, V., Kovalenko, I. (2018). Activation of the nickel foam as a current collector for application in supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (93)), 56–62. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133472
  54. 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

2019-06-04

Як цитувати

Kovalenko, V., & Kotok, V. (2019). Аніонна карбонатна активація шарового (α+β) гідроксиду нікелю. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(6 (99), 44–52. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.169461

Номер

Том 3 № 6 (99) (2019): Технології органічних та неорганічних речовин

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин

Ліцензія

Авторське право (c) 2019 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.