دانلود رایگان ترجمه مقاله کاتالیست نانوکامپوزت Co3O4 /کربن – کره برای الکترود موثر هوا – الزویر 2013

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1.مقدمه
باتری های لیتیوم/هوا امروزه امیدبخش ترین باتری های قابل شارژ جدید هستند. زیرا آن ها چگالی انرژی بیشتری از دیگر سیستم های ذخیره ی انرژی همچون باتری های یون/ لیتیوم دارند]1-7[. دانسیته انرژی بالای پیل لیتیوم/ هوا به این مساله نسبت داده میشود که ماده ی فعال کاتدی (اکسیژن) در باتری ذخیره نمی شود، اما در عوض از هوا تامین می شود. بویژه اینکه، اکسیژن در سطح الکترود هوا از لحاظ کاتالیستی افت می کند و با کاتیون های لیتیوم تامین شده از آند واکنش می دهد تا Li2O2 روی الکترود هوا در طول فرآیند دشارژ تشکیل شود] 8-10[.از لحاظ تئوریتیکی، اگر اکسیژن بدون محدودیت تامین شود، باتری لیتیوم/ هوا میتواند تا زمانی که کل لیتیوم آند با اکسیژن واکنش داده، دشارژ شود. اگرچه در کاربردهای عملی که از الکترولیت های آلی استفاده می شود، چگالی انرژی پیل لیتیوم/ هوا از مقدار محاسبه شده کمتر می شود. مطالعات قبلی پیشنهاد کردند که محصولات واکنش غیرمحلول همجون لیتیوم پراکسید می توانند مکان های فعال کاتالیستی را مسدود کنند و مانع از جای گیری O2 و ارسال یون لیتیوم به مکان های فعال برای واکنش و پایان فرآیند دشارژ شوند ]11-13[. بنابراین عملاً، ظرفیت در دسترس باتری لیتیوم/ هوا به شدن به خواص الکترود هوا بستگی دارد. به علاوه الکترود هوا تثیر مهمی روی توانایی شارژ و اوورولتاژ پیل لیتیوم. هوا دارد ]8-13[.
در کل، یک الکترود هوا از یک کاتالیست، کربن و یک بایندر تشکیل می شود. اگرچ کربن خود دارای خاصیت کاتالیستی ست ولی این برای بدست آوردن محصولات واکنش کافی نیست. به این منظور، نیاز به اکسیدهایی همچون Co3o4 برای تامین فعالیت کاتالیستی بیشتر الکترود وا آشکار است. در حالیکه کاتالیست های اکسیدی باید با کربن تماس داشته باشند تا هدایت الکترونی ضعیف آن ها را جبران کنند. نظر به مدل واکنش الکترود هوا ]12[، فعال ترین مکان ها می توانند نواحی تماس کربن/ کاتالیست در الکترود هوا باشد. از اینرو انتظار می رود که استفاده از یک الکترو هوا با یک منطقه وسیع تماس کربن/ کاتالیست، فعالیت کاتالیستی را افزایش دهد. تا به امروز بیشترین الکترود های هوا توسط اختلاط مکانیکی کربن با یک کاتالیست تهیه شده اند ]8-10[. با این حال، چنین اختلاط مکانیکی ای ممکن است نتواند یک کاتالیست نانوسایز را به طور کامل روی سطح کربن دیسپرس کند. بنابراین به دست آوردن یک سطح تماس کافی کربن/ کاتالیست مشکل خواهد بود.
در تحقیق حاضر، کره های کربن به عنوان یک دگر شکل جدید کربن برای ترکیب با یک اکسید معرفی شدند. تحقیق ما با تصور اینکه یک کره ی کربن با سطح انرژی متناسب، دیسپرس یکنواخت و پوشش نانوکاتالیست روی سطح کربن را تسهیل می کند، مورد توجه قرار گرفت. بنابراین، نانوکامپوزیت کربن- کره/ کاتالیست می تواند سطح تماس وسیعی برای کربن و کاتالیست عرضه کند که می تواند به عنوان مکان فعال کاتالیستی عمل کند. به علاوه، کربن- کره می تواند هدایت الکترونی ضعیف اکسید را جبران کند.
در این کار، یک کاتالیست کربن- کره/ کاتالیست ساخته شد و خواص الکتروشیمیایی آن به عنوان یک الکترود هوا در پیل لیتیوم/ هوا بررسی شد. Co3o4 بخاطر فعالیت کاتالیستی جذاب آن در زمینه های کاربردی مختلف، به عنوان کاتالیست اکسیدی به کار گرفته شد]14-16[. الکترود هوا شامل Co3o4، ظرفیت بالا همچنین عملکرد چرخه ای نسبتاً پایداری را از خود نشان می دهد. نانو کامپوزیت کربن- کره/ Co3o4 انتظار می رود که افزایش فعالیت های کاتالیستی به عنوان مواد الکترودی در پیل های لیتیوم/ هوا بخاطر مساحت فعال کاتالیستی وسیع آن ها و هدایت الکترونی بهبود یافته ی آن ها را نشان دهند.
2.بخش تجربی
الگوهای کربن- کره از پیش ماده ی D-گلوکز با استفاده از فرآیند سنتز هیدروترمال اصلاح شده آماده شدند ]17و18[. به طور مثال، 3گرم گلوکز در آب دیونیزه رقیق شد و با همزن مغناطیسی مخلوط شد. مخلوط سپس به طور پیوسته تحت التراسونیک به مدت 10دقیقه قرار گرفت تا یک محلول شفاف تشکیل شود. سپس محلول به یک اتوکلاو منتقل شد و در یک آون الکتریکی در دمای 180 درجه به مدت 14 ساعت بازپخت شد. پس از آن ماده ی سیاه رنگ سنتریفیوژ شده و آب و الکل شستشو داده شد. سرانجام، نمونه های تهیه شده یک شب در آون خلاء با دمای 90 درجه خشک شد. برای کنترل میزان نقص کره های کربن تهیه شده، طیف رامان با استفاده از طیف سنجی رامان بدست آمد.
نانوکامپوزیت کربن- کره/ Co3o4 توسط اشباع کره های کربن با یک محلول نیترات کبالت تهیه میشودکه طی آن 5/2 گرم کربن داخل 100میلی لیتر محلول نیترات کبالت 05/0 مولار تحت التراسوند حل می شود. مخلوط سونیکیت شده در دمای اتاق، به طور مغناطیسی به مدت 24 ساعت هم زده میشود و سپس یک بار با آب شستشو میشود. پس از آن پودر به مدت یک شب در آون 80درجه خشک شده و بعد از آن در دمای 400 درجه تحت اتمسفر نیتروژن سوزانده میشود. فرآیند ساخت کامپوزیت در شکل 1 نشان داده شده است.
الگوی پراش اشعه ی ایکس ترکیب با استفاده از پراش سنج پرتو ایکس Rigaku با تابش تک فام ساز cu-kα بدست آمد.
میکروساختار ترکیب با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری و روبشی مطالعه شد. نسبت عنصری کامپوزیت مذکور با استفاده از گرماوزن سنجی در سرعت اسکن 10درجه بر دقیقه از25 تا 800 درجه درز امسفر هوا آنالیز شد.
عملکرد الکتروشیمیایی یک الکترو هوا شامل نانوکامپوزیت کربن- کره/ Co3o4 به عنوان یک کاتالیست تست شد. با استفاده از پیل اصلاح شده ی Swagelok حاوی یک الکترود هوا، یک آند لیتیوم فلزی، یک جداکننده شیشه ای و یک الکترولیت حاوی یک مولار LiTFSiدر تترا اتیلن گلیکول در متیل اتر.
الکترود هوا شامل کربن ( باحجم متخلخل 21/3 سانتی مترمکعب بر گرم)، کاتالیست( نانوکامپوزیت کربن-کره/باحجم تخلخل038/0 سانتی مترمکعب بر گرم Co3o4) و یک بایندر. نسبت وزنی کاتالیست/ کربن / بایندر به 72:18:10 تنظیم شد. چون نسبت وزنی کره های کربن به Co3o4در کامپوزیت 79:29 بود، نسبت Co3o4 الکترود حاوی کامپوزیت 21% وزنی بود.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Li/air batteries are currently the most promising new rechargeable batteries because they have much higher energy densities than other energy-storage systems such as lithium-ion batteries [1e7]. The high energy density of the Li/air cell is attributed to the fact that the cathode active material (oxygen) is not stored in the battery, but is instead supplied from the environment. Specifically, oxygen is reduced catalytically on an “air electrode” surface, and reacts with the lithium cations supplied by the anode to form Li2O2 (or Li2O) on the air electrode during the discharge process [8e10]. Theoretically, if oxygen was supplied without limit, the Li/air battery could be discharged until the entire lithium anode had reacted with oxygen. However, in practical applications using organic electrolytes, the energy density of a Li/air cell falls short of the theoretical value. Previous studies have suggested that insoluble reaction products such as lithium peroxide (Li2O2) may block the catalytic active site, preventing O2 intake and Liþ delivery to the active reaction site and terminating the discharge process [11e13]. Therefore, the practically available capacity of the Li/air battery is highly dependent on the properties of the air electrode. Moreover, the air electrode signifi- cantly affects the rechargeability and overpotential of the Li/air cell [8e13]. In general, an air electrode is composed of a catalyst, carbon, and a binder. Although some carbon itself has a catalytic property, this is not typically sufficient to dissociate the reaction products. So it has been known that the oxide catalyst such as Co3O4 needs for superior catalytic activity of the air electrode. However, the oxide catalysts should be contacted with carbon to compensate for their poor electronic conductivity. Considering the reaction model of the air electrode [12], most active sites may be catalyst/carbon contact areas in the air electrode. Accordingly, it is expected that the use of an air electrode with a wide catalyst/carbon contact area will enhance its catalytic activity. To date, most air electrodes have been prepared by mechanical mixing of carbon with a catalyst [8e10]. However, such mechanical mixing might not disperse a nanosized catalyst perfectly on the carbon surface. Thus, it has been difficult to obtain a sufficient catalyst/carbon contact area. In the present study, carbon spheres were introduced as a new carbon frame for combination with an oxide catalyst. Our study was motivated by the notion that a carbon sphere with homogeneous surface energy (due to its spherical shape) will facilitate the uniform dispersion and coating of a nanocatalyst on the carbon surface. Thus, the carbon-sphere/catalyst nanocomposite could offer a wide carbon/catalyst contact area, which may act as the catalytic active site. Moreover, the carbon sphere would compensate for the insufficient electronic conductivity of the oxide catalyst. In this work, a carbon-sphere/catalyst composite was fabricated, and its electrochemical properties as the air electrode in a Li/air cell were characterized. Co3O4 was adopted as the oxide catalyst because of its attractive catalytic activity in various application fields [14e16]. The air electrode containing Co3O4 has showed high capacity and relatively stable cyclic performance. The carbon-sphere/Co3O4 nanocomposites are expected to show enhanced catalytic activities as electrode materials for Li/air cells owing to their wide catalytic active areas and improved electronic conductivities.

2. Experimental

Carbon-sphere templates were prepared from D-glucose precursors using a modified hydrothermal synthesis process [17,18]. Typically, glucose (3 g) was diluted in deionized (DI) water and mixed by magnetic stirring. The mixture was then sonicated continuously for 10 min until a clear solution was formed. This solution was subsequently transferred to a Teflon-lined stainlesssteel autoclave and thermally treated in an electric oven at 180 C for 14 h. Next, black products were recovered by centrifugation and washed with water and alcohol. Finally, the as-synthesized samples were dried overnight in a vacuum oven at 90 C. To check the degree of defect of prepared carbon sphere, Raman spectrum was obtained using a Raman spectrometer (Horiba Jobin Yvon, LabRam Aramis). The carbon-sphere/Co3O4 nanocomposite was prepared by impregnating carbon spheres with a cobalt nitrate solution, through the dispersion of 2.5 g of carbon spheres in 100 mL of a 0.05 M cobalt nitrate solution under sonication. This mixture was sonicated at room temperature, stirred magnetically for 24 h, and then washed once with water. Subsequently, the powder was dried overnight in an oven at 80 C, after which it was calcined at 400 C under a N2 atmosphere. The fabrication process for the composite is shown in Fig. 1. The X-ray diffraction (XRD) patterns of the compound were obtained using a Rigaku X-ray diffractometer with monochromatized Cu-Ka radiation (l ¼ 1.5406 A). The microstructure of the compound was observed using field-emission scanning electron microscopy (SEM, JEOL-JSM 6500F) and transmission electron microscopy (TEM, JEOL-JEM 2100F). The carbon-sphere/Co3O4 ratio was analyzed using thermogravimetry (TG, STA S-1500) at a scanning rate of 10 C min1 from 25 to 800 C in an air atmosphere. The electrochemical performance of an air electrode containing the carbon-sphere/Co3O4 nanocomposite as a catalyst was examined using a modified Swagelok cell consisting of an air electrode, a metallic lithium anode, a glass filter separator (Whatman), and an electrolyte composed of 1 M LiTFSi in tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME). The air electrode contained carbon (Ketjenblack (KB) pore volume z 3.21 cm3 g1 ), the catalyst (carbon-sphere/ Co3O4 nanocomposite, pore volume z 0.038 cm3 g1 ), and a binder (polyvinylidene difluoride, PVDF). The weight ratio of catalyst/carbon/binder was adjusted to 72:18:10. Because the weight ratio of carbon spheres to Co3O4 was 71:29 in the composite, the Co3O4 (oxide catalyst) ratio of the electrode containing the composite was z21 wt%. Fig.