Вдосконалення безперервної технології електрохімічного отримання гідроксиду нікеля шляхом введення рециклінгу розчину
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.224223Анотація
Гідроксид нікелю широко використовується в суперконденсаторах, лужних акумуляторах, для електрокаталитичного окиснення органічних забруднень і т.д. Найбільш перспективними через електрохімічну активність є зразки Ni(OH)2 (α+β) шарової структури, синтезовані в щілинному діафрагмовому електролізері. Для вдосконалення безперервної технології електрохімічного синтезу гідроксиду нікелю була визначена можливість рециклинга відпрацьованого католіту, що містить сульфат натрію. Для цього були синтезовані зразки гідроксиду нікелю з розчину сульфату нікелю в присутності сульфату натрію з концентраціями 40, 60, 80, 100 і 120 г/л. Кристалічна структура зразків вивчена методом рентгенофазового аналізу, електрохімічні властивості вивчені методом циклічної вольтамперометрії. Показано, що базовий зразок, отриманий без присутності сульфату натрію, являє собою монофазну шарувату (α+β) структуру з високим вмістом α-модифікації. Кристалічність зразка не висока. Виявлено, що присутність сульфату натрію приводить до зменшення кристалічності гідроксиду нікелю за рахунок росту електропровідності розчину та зниження напруги на електролізері. Циклічна вольтрамперометрия показала, що синтез у щілинному діафрагмовому електролізері в присутності Na2SO4 (40–80 г/л) не веде до істотної зміни електрохімічної активності зразків гідроксиду нікелю. Збільшення концентрації сульфату натрію в католіті до 100–120 г/л приводить до збільшення електрохімічної активності – питомий струм піка розряду склав 3,7–3,9 А/г (у порівнянні з 2,1 А/г для контрольного зразка).
Комплексний аналіз характеристик зразків гідроксиду нікелю, синтезованих у присутності сульфату натрію, виявив можливість і перспективність рециклінга відпрацьованого католіту в безперервній технології одержання Ni(OH)2 у щілинному диафрагмовому електролізері. Виявлено, що при впровадженні рециклинга рекомендовано підтримувати високу концентрацію сульфату натрію (80–100 г/л)Посилання
- Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. (2015). 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. doi: http://doi.org/10.1098/rspa.2014.0792
- 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: http://doi.org/10.1590/s0100-40422010001000030
- Chen, J., Bradhurst, D. H., Dou, S. X., Liu, H. K. (1999). Nickel Hydroxide as an Active Material for the Positive Electrode in Rechargeable Alkaline Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 146 (10), 3606–3612. doi: http://doi.org/10.1149/1.1392522
- 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: http://doi.org/10.1021/am403684z
- 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: http://doi.org/10.1007/s10008-009-0984-1
- 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: http://doi.org/10.1007/s10008-008-0560-0 0
- 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: http://doi.org/10.1007/s10008-014-2381-7
- 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: http://doi.org/10.1007/s11771-014-2218-7
- 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: http://doi.org/10.1021/am504530e
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.108839
- 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.
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145223
- 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: http://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.04.049
- 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: http://doi.org/10.1007/s10008-004-0599-5
- 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: http://doi.org/10.1149/2.0251410jes
- 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: http://doi.org/10.1016/j.bios.2013.10.008
- Kovalenko, V., Kotok, V., Bolotin, A. (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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.79406
- 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: http://doi.org/10.1149/1.1865852
- 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: http://doi.org/10.1007/s10008-005-0035-5
- 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: http://doi.org/10.1149/1.1393480
- 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: http://doi.org/10.1023/a:1003493711239
- Kotok, V., Kovalenko, V. (2019) Definition of the influence of obtaining method on physical and chemical characteristics of Ni(OH)2 powders. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (97)), 21–27. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145223
- 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: http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.05.050
- Rajamathi, M., Vishnu Kamath, P., Seshadri, R. (2000). Polymorphism in nickel hydroxide: role of interstratification. Journal of Materials Chemistry, 10 (2), 503–506. doi: http://doi.org/10.1039/a905651c
- Rajamathi, M., Subbanna, G. N., Kamath P. V. (1997). On the existence of a nickel hydroxide phase which is neither α nor β. Journal of Materials Chemistry, 7 (11), 2293–2296. doi: http://doi.org/10.1039/a700390k
- 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: http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.08.041
- Cordoba de Torresi, S. I., Provazi, K., Malta, M., Torresib, 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: http://doi.org/10.1149/1.1403731
- 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: http://doi.org/10.1007/s11595-012-0500-9
- Sugimoto, A., Ishida, S., Hanawa, K. (1999). Preparation and Characterization of Ni/Al‐Layered Double Hydroxide. Journal of The Electrochemical Society, 146 (4), 1251–1255. doi: http://doi.org/10.1149/1.1391754
- 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: http://doi.org/10.1007/bf03027353
- 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: http://doi.org/10.1023/a:1003537900947
- 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: http://doi.org/10.1039/b004542j
- 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: http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.01.015
- Zhao, Y. (2004). Al-substituted α-nickel hydroxide prepared by homogeneous precipitation method with urea. International Journal of Hydrogen Energy, 29 (8), 889–896. doi: http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2003.10.006
- 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: http://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.07.004
- 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: http://doi.org/10.1021/jp300780w
- Kotok, V., Kovalenko, V., Vlasov, S. (2018). Investigation of NiAl hydroxide with silver addition as an active substance of alkaline batteries. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (93)), 6–11. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133465
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.106813
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.95699
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.110390
- 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: http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.172
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548
- Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A. A., Mudryi, I. A., Ananchenko, B. A., Burkov, A. A. et. al. (2017). 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: http://doi.org/10.1007/s10008-016-3405-2
- Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A., Ananchenko, B. A., Chernyad’ev, A. V., Burkov, A. A. et. al. (2020). Al3+ Additive in the Nickel Hydroxide Obtained by High-Temperature Two-Step Synthesis: Activator or Poisoner for Chemical Power Source Application? Journal of The Electrochemical Society, 167 (10), 100530. doi: http://doi.org/10.1149/1945-7111/ab9a2a
- 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: http://doi.org/10.1007/s11581-015-1507-y
- 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: http://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.11.081
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.125886
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109770
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.127764
- 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.
- 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.
- 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: http://doi.org/10.1007/s11029-014-9408-0
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Anionic carbonate activation of layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (99)), 44–52. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.169461
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155738
- Vasserman, I. N. (1980). Khimicheskoe osazdenie is rastvorov. Leningrad: Khimia, 208.
- Qing, L., Haifang, N., Yun, C., Xiaoyan, C., Yongjun, L., Gang, C. (2013). Preparation and supercapacitor application of the single crystal nickel hydroxide and oxide nanosheets. Materials Research Bulletin, 48 (9), 3518–3526. doi: http://doi.org/10.1016/j.materresbull.2013.05.049
- Fang, B., Gu, A., Wang, G., Li, B., Zhang, C., Fang, Y., Zhang, X. (2009). Synthesis hexagonal ß-Ni(OH)2 nanosheets for use in electrochemistry sensors. Microchimica Acta, 167 (1-2), 47–52. doi: http://doi.org/10.1007/s00604-009-0213-8
- 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: http://doi.org/10.1021/jp203222t
- Liu, C., Li, Y. (2009). Synthesis and characterization of amorphous α-nickel hydroxide. Journal of Alloys and Compounds, 478 (1-2), 415–418. doi: http://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.11.049
- Kotok, V., Kovalenko, V. (2020) The study of the increased temperature influence on the electrochrome and electrochemical characteristics of Ni(OH)2-PVA composite films. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (105)), 6–12. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.205352
- Li, Y., Yang, Q., Yao, J., Zhang, Z., Liu, C. (2010). Effect of synthesis temperature on the phase structure and electrochemical performance of nickel hydroxide. Ionics, 16 (3), 221–225. doi: http://doi.org/10.1007/s11581-009-0397-2
- Ramesh, T. N., Kamath, P. V. (2008) Temperature-induced control over phase selection among hydroxides of nickel. Bulletin of Materials Science, 31 (2), 169–172. doi: http://doi.org/10.1007/s12034-008-0029-x
- Zhang, W. H., Guo, X. D., He, J., Qian, Z. Y. (2008). Preparation of Ni(II)/Ti(IV) layered double hydroxide at high supersaturation. Journal of the European Ceramic Society, 28 (8), 1623–1629. doi: http://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2007.11.016
- He, J., Wei, M., Li, B., Kang, Y., Evans, D. G., Duan, X. (2006). Preparation of Layered Double Hydroxides. Struct Bond, 119, 89–119. doi: http://doi.org/10.1007/430_006
- 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: http://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.07.004
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2020).The change in the nickel hydroxide properties under the influence of thermal field in situ and ex situ during electrochemical synthesis. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (106)), 31–38. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.194610
- 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: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133472
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Vadym Kovalenko, Valerii Kotok
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.