کوتاه پژوهشي

مطالعه رفتار کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روي اکسيد به عنوان الکترود در ابرخازنهاي الکتروشيميايي

خديجه ديدهبان، مينا اکبري
تهران، دانشگاه پيام نور، مرکز تهران شرق

هادي عادلخاني*+
تهران، پژوهشکده چرخه سوخت هستهاي، پژوهشگاه علوم و فنون هستهاي

چكيده:در اين پژوهش، تهيه و مطالعه رفتار الکتروشيميايي کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روي اکسيد (Polyacrylamide-ZnO) انجام شد. نانو کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روي اکسيد با مقدارهاي گوناگون روي اکسيد به روش پليمريزاسيون شيميايي تهيه شد. مورفولوژي، ساختار بلوري، پايداري گرمايي و مطالعههاي پرتوسنجي اين نانوکامپوزيت به ترتيب توسط ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM)، پراش پرتو-(XRD) X، تجزيه
گر گرما وزني (TGA) و پرتوسنجي تبديل فوريه ـ فروسرخ (FT-IR) انجام شده است. ظرفيت الکتروشيميايي به عنوان الکترود در يک ابرخازن نانو کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روي اکسيد با روش ولتامتري چرخهاي (CV) در محلول 1/0 مولار 4Na2 SO مورد مطالعه قرار گرفت. پلي آکريل آميد به تنهايي هيچ گونه ظرفيت خازني از خود نشان نداد. با افزودن روي اکسيد )به ميزان 5%، 15%، 00% و 50%(، کامپوزيت، ظرفيت خازني نشان داد.
منحني ولتامتري چرخه اي براي کامپوزيت ها نشان داد که اين کامپوزيت ها از نظر الکتروشيميايي رفتاري برگشتپذير دارند که اين رفتار در انتخاب آن ها به عنوان الکترود، در يک ابر خازن الکتروشيميايي، بسيار مهم است .نتيجههاي اين پژوهش بر اين نکته تأکيد دارد که اگر چه تعيين ميزان حضور روي اکسيد در بستر پليمري اين کامپوزيت بر رفتار الکتروشيميايي کامپوزيت به دست آمده لازم است، اما مورفولوژي مناسب و پايداري گرمايي کامپوزيت، شرط کافي در ايجاد ظرفيت الکتروشيميايي بالا براي اين نوع کامپوزيت به عنوان الکترود در يک ابر خازن است .
به طوري که در کامپوزيتي با مقدار روي اکسيد 15% ظرفيت الکتروشيميايي ديده شده بيش از کامپوزيتي با 5%، 00% و 50% روي اکسيد است. ايجاد ساختار نانومتري از کامپوزيت در حالت 15% به عنوان دليلهاي اين ظرفيت بالاي الکتروشيميايي گفته شده است.

واژههاي كليدي: کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روي اکسيد، خازن الکتروشيميايي، ساختار نانومتري، ريخت شناسي، پايداري گرمايي.

KEY WORDS: Polyacrylamide – ZnO Composite; Electrochemical capacitor; Nano structure;
Morphology; Thermal stability.

+E-mail: [email protected] , [email protected] عهده دار مکاتبات *
33
مقدمه
در ابرخازنهاي الکتروشيميايي به عنوان سامانه ذخيره انرژي، همانند پيل هاي سوختي و باتري ها، با انجام يک واکنش الکتروشيميايي، انرژي الکتريکي توليد ميشود. خازنهاي متعارف از دو صفحه موازي رساناي الکتريسته تشکيل شده که بهوسيله يک ماده دي الکتريک از يکديگر جدا شدهاند. فاصله دو الکترود و کيفيت ماده دي الکتريک از جمله عاملهاي مؤثر بر ظرفيت يک خازن هستند .مادهاي که بهعنوان الکترود در ابرخازنهاي الکتروشيميايي استفاده ميشود، شامل گروه گستردهاي از مواد همانند اکسيد و هيدرو اکسيد هاي فلزي، مواد کربني، پليمرهاي رسانا، و مواد کامپوزيتي است.کامپوزيت ها گروهي از مواد هستند که از دو يا چند جزء )فاز( گوناگون )مانند فلزها، سراميکها و پليمرها( تشکيل شده اند. در کامپوزيت يک جزء به عنوان فاز پيوسته است که جزء دوم در آن توزيع شده است. بر اين اساس کامپوزيتها به کامپوزيتهاي زمينه سراميکي ((CMC، کامپوزيتهاي زمينه فلزي (MMC) و کامپوزيتهاي زمينه پليمري (PMC) تقسيمبندي ميشوند. از جمله ويژگيهاي يگانه نانو کامپوزيتها ميتوان به وزن کمتر، استحکام مکانيکي بالاتر، مقاومت بيشتر در برابر عاملهاي شيميايي و پايداري گرمايي بيشتر اشاره نمود .
در کنار کاربردهاي متنوع و گوناگون مواد کامپوزيتي، استفاده از آن ها در پيل هاي سوختي، باتري ها و ابر خازنهاي الکتروشيميايي مورد توجه زيادي قرار گرفته است .مطالعهها نشان ميدهد که نسبت فازهاي گوناگون، پايداري گرمايي و ساختار کامپوزيت نقش بسيار مهمي در ظرفيت الکتروشيميايي آن به عنوان الکترود در يک ابر خازن با باتري دارد [31-3]. در اين پژوهش کامپوزيتهاي پلي اکريل آميد ـ روي اکسيد تهيه شده و عملکرد کامپوزيت به دست آمده، زماني که در يک ابر خازن الکتروشيميايي به عنوان الکترود بهکار رفته، مورد مطالعه قرار گرفت.

بخش تجربي
براي تهيه کامپوزيت ،g 3 آکريل آميد در mL 2 آب مقطر حل شد و
(N, N- Methylene bis acrylamid) کراس لينکر 0/32 g محلولي حاوي
در mL 6 آب مقطر به آن افزوده شد. سپس محلول داراي g 32/0 آغازگر )پتاسيم پرسولفات( در mL 4 آب مقطر به آن افزوده شد. در زمان مخلوط نمودن، محلول با همزن مغناطيسي همزده شد. در ادامه محلول روي اکسيد (ZnO) در آب مقطر، که به مدت 20 دقيقه در دستگاه فراصوت قرار گرفت تا ذرههاي اکسيد روي بهطور کامل پخش شود، به همراه مقدار مشخصي کاتاليست
اسليتور (N,N,N, N, – tetra methyl ethylene diamine) به محلول مرحله پيشين افزوده شد. بعد از تشکيل کامپوزيت، مواد تهيه شده با آب مقطر شستشو داده شدند. بر حسب غلظت محلول داراي اکسيد روي، کامپوزيت پلي آکريل آميد-ZnO با درصدهاي وزني گوناگون بهدست آمد.
مطالعه مورفولوژي کامپوزيتها با ميکروسکوپ الکتروني روبشي مدل AIS2100 و شناسايي ساختار بلوري کامپوزيت با دستگاه پراش پرتو ايکس (XRD) مدل 2000-Shimadzu انجام شد. آناليز وزن سنجي گرمايي با دستگاه TGA-DSC مدل STE 1500، در اتمسفر نيتروژن در بازهي دمايي Co 000-0 و نرخ دمايي C/min° 30 انجام شد .پرتوسنجي تبديل فوريه- فروسرخ (FT-IR) با دستگاه Shimadzu IR Prestige21 انجام شد .براي مطالعه رفتار الکتروشيميايي کامپوزيت پلي آکريل آميد-اکسيد روي از دستگاه پلاروگراف -MetrohmVA Computrace 797 و روش ولتامتري چرخه اي در الکتروليت
3/0 مولار 4Na2SO استفاده شد. از مخلوطي داراي 00% کامپوزيت پلي آکريل آميد-اکسيد روي، 20% گرافيت و 30% استيلن بلک به عنوان ماده فعال در الکترود کار استفاده شد. اين مخلوط به صورت قرص فشرده بين يک ميله و يک توري تيتانيومي قرار داده ميشد.
براي جلوگيري از نشت ماده به داخل الکتروليت، قرص در غلافي از جدا کننده پليمري )Non-woven Poly Vinyl Alcohol (PVA)( قرار ميگرفت. از پلاتين به عنوان الکترود کمکي و الکترود Ag/AgCl به عنوان الکترود مرجع استفاده شد [34].

نتيجهها و بحث
در شکل 3 منحني ولتامتري چرخه اي براي يک نمونه از کامپوزيتها در سه سرعت روبش پتانسيل به نمايش در آمده است .
ديده ميشود که در کليه سرعت ها، منحنيهاي آندي و کاتدي، به نسبت با يکديگر موازي هستند که نشان از برگشت پذير بودن واکنشهاي کاتدي و آندي در کامپوزيت دارد [34]. با توجه به نتيجههاي ولتامتري، ظرفيت الکتروشيميايي هريک از (C, F/g) بر اساس جريان متوسط (i, A)، سرعت روبش پتانسيل
(v, mV/S) و وزن ماده الکترودي بهکار رفته (m, g) طبق معادله )3( محاسبه شد که نتيجههاي آن در جدول 3 ارايه شده است.
32 مطالعه رفتار کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روی اکسيد…
جدول 3ـ ظرفيت الکتروشيميايي.
نرخ اسکن

2 5 32 20 40 00 360
5 2 >3 >3 >3 >3 >3
50 22 32 0 5 1 2
329 05 45 11 22 34 9
95 53 20 20 31 0 6
65 29 34 30 6 1 2

0/0000

0/0003

3350795130130

جريان

(
)
A

جريان

(

)

A

0/0002

0

0/0002

0/0003
— 0/8 -0/4 0/2 0/7
0000 (mV) Ag/ACl ولتاژ برای

شکل 3ـ منحني ولتامتری چرخه ای کامپوزيت پلي آکريل آميد ـ روی اکسيد در سه سرعت روبش پتانسيل.

3702845108570

)3( C 1000mvi بر اساس جدول 3، ظرفيت الکتروشيميايي در پلي آکريل آميد )بدون حضور روي اکسيد( در تمامي سرعت هاي روبش بسيار پايين است. اين امر نشان ميدهد که هيدروژل پلي آکريل آميد به تنهايي از نظر الکتروشيميايي فعال نيست و ظرفيت هاي الکتروشيميايي بهدست آمده به علت حضور روي اکسيد در بستر ايجاد شده توسط اين پليمر و ايجاد کامپوزيت پلي آکريل آميد- روي اکسيد است. بنابراين انتظار ميرود که با افزايش ميزان روي اکسيد در اين کامپوزيت، ظرفيت الکتروشيميايي نيز افزايش يابد. اما نتيجهها نشان ميدهد که تنها حضور روي اکسيد در ظرفيت الکتروشيميايي نقش ندارد و ساير عاملها مانند مورفولوژي کامپوزيت نيز در ايجاد ظرفيت الکتروشيميايي نقش دارند. در شکل 2، تصويرهاي ميکروسکوپ الکتروني روبشي
3
33پلي آکريل آميد
پلي آکريل آميد +ZnO(5%), PZ5 332 پلي آکريل آميد +ZnO (15%), PZ15 (F/g) ظرفيت200 پلي آکريل آميد +ZnO (30%), PZ30 309 پلي آکريل آميد +ZnO (50%), PZ50 324
-21843-2018942

کامپوزيتها به نمايش در آمده است .ديده ميشود که نمونه PZ5، که داراي کمترين ظرفيت الکتروشيميايي در بين کامپوزيتهاي تهيه شده است) F/g 332 در سرعت روبش mV/S 3(، داراي ساختاري صلب ،يک پارچه و بدن خلل و فرج است )شکل 2-الف(. در PZ15 ساختارهاي نانو ميلهاي شکل ديده ميشود )شکل 2-ب(. در مقايسه با ساير نمونه ها ،PZ15 ظرفيت الکتروشيميايي بالاتري دارد. تفاوت در ظرفيت هاي الکتروشيميايي ديده شده را ميتوان با ميزان روي اکسيد بيشتر و يا مورفولوژي آن مرتبط دانست. براي مشخص شدن اين که کدام يک از اين دو علت نقش مهم تري دارند، بهتر است به مورفولوژي PZ30 )شکل 2-ج( توجه شود. در PZ30 نيز ساختار صلب است ، اما وجود حفرهها در سطح، باعث ايجاد سطح فعال بيشتري ميشود که نتيجه آن افزايش ظرفيت الکتروشيميايي براي اين نمونه است. مقايسه PZ15 و PZ30 نشان ميدهد که با وجود کمتر بودن ماده روي اکسيد در PZ15 نسبت به PZ30 )با نسبت 3 به 2(، به علت ساختار نانومتري PZ15 ، ظرفيت الکتروشيميايي PZ15 و PZ30 به ترتيب برابر با F/g 200 و F/g 309 در سرعت روبش mV/S 3 است. بنابراين ميتوان گفت که اگرچه حضور روي اکسيد براي ايجاد ظرفيت الکتروشيميايي لازم است، اما آن چه که در ظرفيت نهايي الکتروشيميايي تاثير دارد )شرط کافي( ساختار و مورفولوژي کامپوزيت پلي آکريل آميد- روي اکسيد است که باعث ايجاد سطح در دسترس بيشتر در کامپوزيت و در نتيجه بهبود رفتار الکتروشيميايي آن ميشود .
با توجه به مورفولوژي PZ50 )شکل 2-د( ،ديده ميشود که در اين نمونه به دليل ايجاد نشدن ساختارهاي نانومتري و ايجاد يک ساختار صلب ،باوجود ميزان روي اکسيد زياد) 50%(، ظرفيت الکتروشيميايي ديده شده چندان بالا نيست. در PZ5 به دو دليل
34

شکل 2ـ مورفولوژی کامپوزيت های )الف( PZ5، )ب( PZ15، )ج( PZ30و )د( PZ50 .

300

90

80

70

00

00

30

40

20

30

کاهش

وزن
)
(
%

Polyacrylamide

ZnO (5%)

Polyacrylamide

ZnO (30%)



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید