أبيض پروسيا
أبيض پروسيا إنگليزية: Prussian white (PW) هي مادة هيكلية تتكون من الصوديوم والحديد والكربون والنيتروجين. تتيح المسام الكبيرة داخل المادة التقاط وتخزين مجموعة من الذرات أو الجزيئات مما يجعل المركب محطاً للاهتمام لعدد من التطبيقات.[1]
أبيض پروسيا هي الصيغة المختزلة بالكامل والمُضاف لها الصوديوم لأزرق پروسيا، يمكن أن تحسّن بشكل كبير إمكانية تصنيع بطاريات تجارية، إذ تزيل الحاجة لوجود مصعد anode متفاعل ومحمل بالصوديوم في مجمع البطارية. إلا أن التحضيرات السابقة لأزرق پروسيا تتطلب درجة حرارة عالية وضغط عالي وبيئة خالية من الأكسجين، وأدائهم المرصود في مهابط البطاريات كان متواضعاً حتى الآن. كما أُعد تقرير عن تركيب معتدل منخفض الحرارة لأبيض پروسيا، باستخدام عامل اختزال شائع من بوروهيدريد الصوديوم في التفاعل. وقد تم التوصل لبطارية صوديوم-أيون ذات نصف الخلية باستخدام أبيض پروسيا ذات سعة محددة عالية بشكل ملحوظ تبلغ 169 ± 4 mA h/g عند درجة 1C، وهي قريبة من السعة النظرية القصوى البالغة 17171 mA h/g. تم أيضاً عرض بطاريات كاملة الخلايا ذات قدرات شبه قصوى كدليل على المفهوم. يُعزى الوصول إلى هذه السعة المحددة العالية إلى الحفظ الناجح لمواقع إقحام الصوديوم في المادة المشبعة بالكامل خلال عملية التجفيف بالفراغ الحراري في عمليتنا. كما تمثل هذه النتائج، والتقدم الكبير في الأداء، خطوة مهمة نحو انتشار العمل المستقبلي لبطاريات صوديوم-أيون القابلة للشحن في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.[2]
أُثبت أن سداسي سيانيد الحديد الجديد المستقر في الهواء (R-Na1.92Fe[Fe(CN)6]) بهيكل معين الأوجه على أنه مادة كاثود قابلة للتطوير ومنخفضة التكلفة لبطاريات صوديوم-أيون تظهر قدرة عالية ودورة حياة طويلة.
أُوضحت آلية دورة الأكسدة والاختزال للحديد وفهمها من خلال التحليل الطيفي لامتصاص للأشعة السينية القائم على المعجل التزامني، والذي يكشف أيضاً عن العلاقة بين الخصائص الفيزيائية وأداء الخلية لهذه المادة الجديدة. والأهم من ذلك، أن الإعداد الناجح لسداسي سيانيد الحديد المجفف مع تركيز عالي من أيون الصوديوم يمكن من تصنيع بطارية صوديوم-أيون المفرغة باستخدام أنود معدني غير الصوديوم، واختبار جدوى تصنيع بطاريات صوديوم-أيون منخفضة التكلفة بالنسبة بطارية ليثيوم-أيون.[3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
التحضير
تُحضَّر مكعبات الصوديوم Na2-xFe2(CN)6·yH2O، والبوتاسيوم K2-xFe2(CN)6·yH2O لتركيب أبيض پروسيا، باتباع منهجية تركيبية معتدلة. بينما يتم تأكيد التناظر المكعب بواسطة XRD وTEM، تظهر الأشعة تحت الحمراء وXPS ميزات تختلف عن تراكيب أزرق پروسيا.[4]
عندما تُختبر كمواد كاثود في بطاريات صوديوم-أيون، يظهر كلا المركبين قدرات عكسية أعلى من 140 mAh g−1 عند 1C (ca. 80 mA g−1). بينما يُظهر أبيض پروسيا المضاف له الصوديوم قدرة عالية بمعدل أفضل (10C/0.1C = 0.64)، يُظهر أبيض پروسيا المضاف له الپوتاسيوم استقرار أطول بدورة العمل، مع ما يصل إلى 80 ٪ من القدرة على الاحتفاظ بعد 500 دورة. ومن المثير للاهتمام أن طور أبيض پروسيا المضاف له الپوتاسيوم يوفر أيضاً زيادة قدرها 0.35 فولت في ذروة الأكسدة والاختزال ذات الجهد العالي مقارنةً بنظير أبيض پروسيا المضاف له الصوديوم المنسوب إلى الإدخال التفضيلي لأيونات K+ بدلاً من Na+، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الطاقة الثقالية. من ناحية أخرى، يبدو أن إدخال Na+ يحدث عند جهة الجهد المنخفض. من المرجح أن يكون إدخال Na+ وK+ الهجين في إطار أبيض پروسيا المضاف له الپوتاسيوم هو المسؤول عن استقرار الدورة الطويلة كنتيجة للتأثيرات التآزرية.
الأهمية الاقتصادية
يعد أزرق پروسيا (PB) ونظائره من المواد الواعدة لكاثودات بطارية صوديوم-أيون بسبب إمكانات العمل العالية والقدرة النظرية العالية والسمية المنخفضة.[5]
يمكن أن يحسن أبيض پروسيا (PW)، وهو الشكل المختزل مضاف له الصوديوم بالكامل من أزرق پروسيا، بشكل كبير من قابلية تصنيع البطاريات التجارية لأن المركب يلبي متطلبات الأنود التفاعلي المحمّل بالصوديوم في تجميع الخلايا.
ومع ذلك، تتطلب التحضيرات السابقة لأزرق پروسيا بيئة ذات درجة حرارة عالية وضغط مرتفع وخالية من الأكسجين، وكان أدائها الذي أُقر في كاثودات البطارية متواضعاً حتى الآن.
كاثودات بطارية صوديوم-أيون
قام الباحثون بتجميع مادة كاثود أبيض پروسيا ودرسوا أداء تخزين أيون الصوديوم السريع والمستقر في درجات حرارة تصل إلى 70 درجة مئوية.[6]
تم تصنيع Poly-PW باستخدام طريقة الترسيب. في البداية، تم إذابة حديدوسيانيد الصوديوم (Na4Fe(CN)6.H2O) في ماء منزوع الأيونات (DI) للحصول على محلول A، بينما تم إذابة سترات الصوديوم وكبريتات الحديدوز (FeSO4·7H2O) في ماء منزوع الأيونات لتحضير المحلول B.
ثم تمت إضافة المحلول A إلى المحلول B بمعدل ثلاثة mL/min تحت 1200 rpm/min بالتقليب المغناطيسي. بعد تعتيق الخليط لمدة 24 ساعة، تم جمع الرواسب البيضاء الناتجة عن طريق الطرد المركزي، وغسلها بالإيثانول اللامائي وماء منزوع الأيونات، وتجفيفها طوال الليل باستخدام فرن مفرغ عند 120 درجة مئوية.
أُضيف 70٪ من وزن المادة الفعالة/أبيض پروسيا، و10٪ بالوزن من ثنائي متعدد(الڤاينيلدين الفلورايد)، و20٪ بالوزن أسيتيلين أسود إلى N-ميثيل-2-پيروليدين للحصول على ملاط متجانس، والذي تم طلاءه بعد ذلك على ورق ألومنيوم. تم تجفيف الرقائق المطلية بالملاط طوال الليل عند 120 درجة مئوية، ثم تقطيعها إلى أقراص بقطر 12 مم للحصول على قطب عامل بمتوسط 3 مجم سم مكعب من المواد النشطة/أبيض پروسيا.
تم إجراء الاختبار الكهروكيميائي باستخدام خلايا العملة المعدنية CR2025 حيث تم استخدام واحد من پركلورات الصوديوم NaClO4 في كربونات الپروپيلين (PC)/كربونات الإثيلين (EC) مع خمسة أحجام ٪ من كربونات فلورو إثيلين (FEC) تم استخدام إلكتروليت وأقراص الصوديوم المعدنية كقطب كهربائي مضاد. كما تم استخدام الألياف الزجاجية المسامية كفاصل مع حجرة مغلقة مليئة بالأرجون تحتوي على أقل من جزء في المليون من الأكسجين ومستويات الرطوبة لتجميع الخلايا.
استُخدم التحليل الحراري الوزني، والتحليل الطيفي للامتصاص الذري(AAS)، وطريقة حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني لمسح الانبعاث الحقلي (FESEM)، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS) للتوصيف والقياسات الكهروكيميائية.
تم تقييم الأداء الكهروكيميائي للخلايا باستخدام جهاز اختبار بطارية LAND CT2001A ضمن نطاق جهد 2.0 −4.2 فولت تحت كثافات تيار مختلفة عند درجات حرارة مختلفة. وقد أجرى الباحثون أيضاً قياس الڤولتميتر الدوري (CV) والتحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS).
الهامش
- ^ "Components of Prussian white". Altris. 2022-12-18. Retrieved 2022-12-18.
- ^ Cheryldine Q. X. Lim ، Cheryldine Q. X. Lim ، National University of Singapore (2021-05-28). "Prussian White with Near-Maximum Specific Capacity in Sodium-Ion Batteries". American Chemical Society.
- ^ ong Wang†, Jie Song‡, Ruimin Qiao§, L. Andrew Wray§⊥#, Muhammed A. Hossain§, Yi-De Chuang§, Wanli Yang§, Yuhao Lu*†, David Evans†, Jong-Jan Lee†, Sean Vail†, Xin Zhao†, Motoaki Nishijima∥, Seizoh Kakimoto∥, and John B. Goodenough‡ (2021-01-23). "Rhombohedral Prussian White as Cathode for Rechargeable Sodium-Ion Batteries". American Chemical Society.
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ María JoséPiernas Muñoz-ElizabethCastillo Martínez-OleksandrBondarchukaMichelArmand-TeófiloRojoab (2016-08-30). "Higher voltage plateau cubic Prussian White for Na-ion batteries". sciencedirect.
- ^ Cheryldine Q. X. Lim and Zhi-Kuang Tan* (2021-05-28). "Prussian White with Near-Maximum Specific Capacity in Sodium-Ion Batteries". pubs.acs.org.
- ^ Samudrapom Dam (2022-06-21). "Making Sodium-ion Battery Cathodes with Prussian White Aggregates". www.azom.com.