
تعداد نشریات | 13 |
تعداد شمارهها | 622 |
تعداد مقالات | 6,501 |
تعداد مشاهده مقاله | 8,616,685 |
تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 8,206,502 |
کاتد کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل برای باتریهای روی-هوای قابل شارژ | ||
پژوهشهای علوم و فناوری چوب و جنگل | ||
دوره 31، شماره 1، فروردین 1403، صفحه 159-178 اصل مقاله (855.28 K) | ||
نوع مقاله: مقاله کامل علمی پژوهشی | ||
شناسه دیجیتال (DOI): 10.22069/jwfst.2024.22350.2059 | ||
نویسندگان | ||
زینب عودی زارع1؛ مهدی مشکور* 2؛ تقی طبرسا3؛ داود رسولی4؛ مهرداد مشکور5 | ||
1دانشجوی دکتری ،گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. | ||
2دانشیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. | ||
3استاد، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. | ||
4استادیار، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران. | ||
5محقق پسادکتری، بخش علوم مواد، گروه علوم مهندسی و ریاضیات، دانشگاه صنعتی لولئا، لولئا، سوئد. | ||
چکیده | ||
چکیده سابقه و هدف: باتریهای قابل شارژ روی-هوا بهدلیل چگالی انرژی نسبتا بالا، سازگاری با محیط زیست، ایمنی منتج از الکترولیتهای غیرقابل اشتعال و مقرون به صرفه بودن، بهعنوان سیستمهای ذخیره انرژی جایگزین امیدوارکنندهای برای باتریهای لیتیوم-یون امروزی در تامین انرژی به شمار میروند. اما، چگالی انرژی عملیاتی شده نسبت به مقدار تئوری در باتریهای روی-هوا همچنان بسیار پایین است و سینیتیک ضعیف الکتروشیمیایی در واکنشهای مربوط به کاتد هوا یکی از مهمترین موارد دخیل در این امر میباشد. هدف این پژوهش، ارزیابی کارایی الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب درخت نوئل بهعنوان کاتد هوا در باتری روی-هوا میباشد. مواد و روشها: در این پژوهش، از برون چوب هواخشک شدهی درخت نوئل بهعنوان ماده پیشساز الکترودهای کربنی استفاده شد. نخست مقطوعات چوب اولیه، به بلوکهای عرضی، شعاعی و مماسی با ابعاد 3 *50 * 50 میلیمتر بریده و با روش پیرولیز آرام در محیطی عاری از اکسیژن، با اعمال برنامههای دمایی معین به الکترودهای کربنی یکپارچه تبدیل شدند. تمامی مقطوعات پیرولیز شده با فرایند سمباده زنی به ضخامت حدود 1 میلیمتر تبدیل شدند. در ادامه، اثر دمای بیشینه فرایند پیرولیز (800 و 1000 درجه سانتی گراد) و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه بر ویژگیهای ریختشناسی و فیزیکی-شیمیایی الکترودهای کربنی تولید شده و کارایی الکتروشیمیایی آنها در باتریهای روی هوا مورد بررسی و تحلیل قرار گرفت. یافتهها: نتایج بهدست آمده تأثیر قابل ملاحظهی دمای بیشینه فرایند پیرولیز و نوع برش مقطوعات چوبی اولیه متناسب با راستای الیاف را بر کارایی الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی ساخته شده بهعنوان کاتد هوا نشان داد. با افزایش دمای بیشینه پیرولیز از 800 به 1000 درجه سانتیگراد، عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کربنی تهیه شده بهبود یافت. همچنین، الکترودهای کربنی مونولیتیک مشتق شده از چوب نوئل با سطح مقطع بزرگ عرضی، ویژگیهای الکتروشیمیایی برتری را نسبت به همتایان خود (نمونههای واجد سطح مقطعهای بزرگ مماسی و شعاعی) نشان دادند. به طور کلی، باتریهای مونتاژ شده با الکترود کاتد کربنی واجد سطح مقطع بزرگ عرضی و دمای پیرولیز 1000 درجه سانتی گراد، بهطور معناداری عملکرد الکتروشیمیایی مطلوبتری را در آزمونهای طیفسنجی امپدانس و ولتامتری خطی-جارویی در نشان دادند. نتیجهگیری: بهطور خلاصه بهبود عملکرد الکتروشیمیایی الکترودهای کاتد هوای ساخته شده با افزایش دمای بیشینهی پیرولیز، به توسعه تخلخل ساختاری و سطح ویژه الکترودهای تهیه شده نسبت داده شد. همچنین، در نمونه الکترودهای کربنی مشتق شده از چوب نوئل، با توجه به نقش کلیدی تراکئیدها در سوزنی برگان در انتقال جریان مواد در راستای طولی چوب و نیز ضخامت کمتر الکترودهای مونولیتیک کربنی تولید شده نسبت به طول تراکئیدها، بهنظر میرسد انتقال جریان الکترولیت و الکترون در نمونه الکترودهای واجد سطح بزرگ عرضی به صورت مؤثرتری نسبت به دو نوع دیگر انجام شده و لذا کارائی الکتروشیمیایی پیل بهبود یافت. | ||
کلیدواژهها | ||
چوب کربنیزه؛ دمای پیرولیز؛ الکترود کاتد؛ عملکرد الکتروشیمیایی؛ باتری | ||
مراجع | ||
1.Chang, H., Shi, L. N., Chen, Y. H., Wang, P. F., & Yi, T. F. (2022). Advanced MOF-derived carbon-based non-noble metal oxygen electrocatalyst for next-generation rechargeable Zn-air batteries. Coordination Chemistry Reviews. 473, 214839.
2.Kumar, Y., Mooste, M., & Tammeveski, K. (2023). Recent progress of transition metal-based bifunctional electrocatalysts for rechargeable zinc–air battery application. Current Opinion in Electrochemistry. 38, 101229.
3.Armand, M., Axmann, P., Bresser, D., Copley, M., Edström, K., Ekberg, C., & Zhang, H. (2020). Lithium-ion batteries–Current state of the art and anticipated developments. J. of Power Sources, 479, 228708.
4.Yang, D., Tan, H., Rui, X., & Yu, Y. (2019). Electrode materials for rechargeable zinc-ion and zinc-air batteries: current status and future perspectives. Electrochemical Energy Reviews. 2, 395-427.
5.Hu, S., & Zhu, M. (2023). Semiconductor for oxygen electrocatalysis in photo-assisted rechargeable zinc air batteries: Principles, Advances, and Opportunities. Energy Storage Materials. 102866.
6.Deng, X., Jiang, Z., Chen, Y., Dang, D., Liu, Q., Wang, X., & Yang, X. (2023). Renewable wood-derived hierarchical porous, N-doped carbon sheet as a robust self-supporting cathodic electrode for zinc-air batteries. Chinese Chemical Letters. 34 (1), 107389.
7.Liu, H., Guan, J., Yang, S., Yu, Y., Shao, R., Zhang, Z., ... & Xu, Q. (2020). Metal–organic‐framework‐derived Co2P nanoparticle/ multi‐doped porous carbon as a trifunctional electrocatalyst. Advanced Materials, 32 (36), 2003649.
8.Zhao, Z., Fan, X., Ding, J., Hu, W., Zhong, C., & Lu, J. (2019). Challenges in zinc electrodes for alkaline zinc–air batteries: obstacles to commercialization. ACS Energy Letters. 4 (9), 2259-2270.
9.Gu, P., Zheng, M., Zhao, Q., Xiao, X., Xue, H., & Pang, H. (2017). Rechargeable zinc–air batteries: a promising way to green energy. Journal of Materials Chemistry A. 5 (17), 7651-7666.
10.Schmitt, T., Arlt, T., Manke, I., Latz, A., & Horstmann, B. (2019). Zinc electrode shape-change in secondary air batteries: A 2D modeling approach. J. of Power Sources. 432, 119-132.
11.Sun, Q., Dai, L., Luo, T., Wang, L., Liang, F., & Liu, S. (2023). Recent advances in solid‐state metal–air batteries. Carbon Energy. 5 (2), e276.
12.Zhou, Q., Zhang, Z., Cai, J., Liu, B., Zhang, Y., Gong, X., ... & Chen, Z. (2020). Template-guided synthesis of Co nanoparticles embedded in hollow nitrogen doped carbon tubes as a highly efficient catalyst for rechargeable Zn-air batteries. Nano Energy, 71, 104592.
13.Jiang, J., Zhang, L., Wang, X., Holm, N., Rajagopalan, K., Chen, F., & Ma, S. (2013). Highly ordered macroporous woody biochar with ultra-high carbon content as supercapacitor electrodes. Electrochimica Acta, 113, 481-489.
14.Wang, Z., Zhou, X., Jin, H., Chen, D., Zhu, J., Hempelmann, R., ... & Mu, S. (2022). Ionic liquid-derived FeCo alloys encapsulated in nitrogen-doped carbon framework as advanced bifunctional catalysts for rechargeable Zn-air batteries. J. of Alloys and Compounds. 908, 164565.
15.Wang, X., Liao, Z., Fu, Y., Neumann, C., Turchanin, A., Nam, G., ... & Feng, X. (2020). Confined growth of porous nitrogen-doped cobalt oxide nanoarrays as bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable zinc–air batteries. Energy Storage Materials. 26, 157-164.
16.Chen, C., & Hu, L. (2018). Nanocellulose toward advanced energy storage devices: structure and electrochemistry. Accounts of chemical research. 51 (12), 3154-3165.
17.Teng, S., Siegel, G., Wang, W., & Tiwari, A. (2014). Carbonized wood for supercapacitor electrodes. ECS Solid State Letters. 3 (5), M25.
18.Cuna, A., Tancredi, N., Bussi, J., Barranco, V., Centeno, T. A., Quevedo, A., & Rojo, J. M. (2014). Biocarbon monoliths as supercapacitor electrodes: influence of wood anisotropy on their electrical and electrochemical properties. J. of the Electrochemical Society. 161 (12), A1806.
19.Moreno-Castilla, C., Pérez-Cadenas, A. F., Maldonado-Hodar, F. J., Carrasco-Marı́n, F., & Fierro, J. L. G. (2003). Influence of carbon–oxygen surface complexes on the surface acidity of tungsten oxide catalysts supported on activated carbons. Carbon. 41 (6), 1157-1167.
20.Jiang, F., Li, T., Li, Y., Zhang, Y., Gong, A., Dai, J., ... & Hu, L. (2018). Wood‐based nanotechnologies toward sustainability. Advanced Materials. 30 (1), 1703453.
21.Wu, F. C., Tseng, R. L., Hu, C. C., & Wang, C. C. (2004). Physical and electrochemical characterization of activated carbons prepared from firwoods for supercapacitors. J. of Power Sources, 138 (1-2), 351-359.
22.Eom, S. W., Lee, C. W., Yun, M. S., & Sun, Y. K. (2006). The roles and electrochemical characterizations of activated carbon in zinc air battery cathodes. Electrochimica acta. 52 (4), 1592-1595.
23.Figueiredo, F. (2013). On the prediction of popularity of trends and hits for user generated videos. In Proceedings of the sixth ACM international conference on Web search and data mining. Pp: 741-746. 24.Marsh, H., Martı́nez-Escandell, M., & Rodrı́guez-Reinoso, F. (1999). Semicokes from pitch pyrolysis: mechanisms and kinetics. Carbon. 37 (3), 363-390.
25.Burchell, T. D., Contescu, C. I., & Gallego, N. C. (2017). Activated carbon fibers for gas storage. In Activated Carbon Fiber and Textiles. Woodhead Publishing. Pp: 305-335.
26.Sevilla, M., & Mokaya, R. (2014). Energy storage applications of activated carbons: supercapacitors and hydrogen storage. Energy & Environmental Science. 7 (4), 1250-1280.
27.Maruyama, J., & Abe, I. (2005). Enhancement effect of an adsorbed organic acid on oxygen reduction at various types of activated carbon loaded with platinum. J. of Power Sources. 148, 1-8.
28.Gärtner, H., & Schweingruber, F. H. (2013). Microscopic preparation techniques for plant stem analysis (No Title).
29.Chang, H., Shi, L. N., Chen, Y. H., Wang, P. F., & Yi, T. F. (2022). Advanced MOF-derived carbon-based non-noble metal oxygen electrocatalyst for next-generation rechargeable Zn-air batteries. Coordination Chemistry Reviews. 473, 214839.
30.Horne, P. A., & Williams, P. T. (1996). Influence of temperature on the products from the flash pyrolysis of biomass. Fuel. 75 (9), 1051-1059.
31.Liang, B., Lehmann, J., Solomon, D., Kinyangi, J., Grossman, J., O'Neill, B. J. O. J. F. J. J. E. G., ... & Neves, E. G. (2006). Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil science society of America J.70 (5), 1719-1730.
32.Wang, T., Camps-Arbestain, M., Hedley, M., & Bishop, P. (2012). Predicting phosphorus bioavailability from high-ash biochars. Plant and Soil. 357, 173-187.
33.Wu, C., Zhang, S., Wu, W., Xi, Z., Zhou, C., Wang, X., ... & Chen, D. (2019). Carbon nanotubes grown on the inner wall of carbonized wood tracheids for high-performance supercapacitors. Carbon. 150, 311-318.
34.Yaqoob, A. A., Ibrahim, M. N. M., & Umar, K. (2021). Electrode material as anode for improving the electrochemical performance of microbial fuel cells. In Energy Storage Battery Systems-Fundamentals and Applications. IntechOpen.
35.Cui, X., Liu, Y., Han, G., Cao, M., Han, L., Zhou, B., ... & Jiang, J. (2021). Wood‐Derived Integral Air Electrode for Enhanced Interfacial Electrocatalysis in Rechargeable Zinc–Air Battery. Small. 17 (38), 2101607.
36.Maruyama, J., & Abe, I. (2005). Enhancement effect of an adsorbed organic acid on oxygen reduction at various types of activated carbon loaded with platinum. J. of Power Sources. 148 (1-8), 37-41.
37.Sevilla, M., & Fuertes, A. B. (2006). Catalytic graphitization of templated mesoporous carbons. Carbon. 44 (3), 468-474.
38.Punon, M., Jarernboon, W., & Laokul, P. (2022). Electrochemical performance of Palmyra palm shell activated carbon prepared by carbonization followed by microwave reflux treatment. Materials Research Express. 9 (6), 065603.
39.Santangelo, S., Messina, G., Faggio, G., Abdul Rahim, S. H., & Milone, C. (2012). Effect of sulphuric–nitric acid mixture composition on surface chemistry and structural evolution of liquid‐ phase oxidised carbon nanotubes. J. of Raman Spectroscopy. 43 (10), 1432-1442.
40.Guo, Z., Ma, Y., Zhao, Y., Song, Y., Tang, S., Wang, Q., & Li, W. (2022). Trimetallic ZIFs-derived porous carbon as bifunctional electrocatalyst for rechargeable Zn-air battery. J. of Power Sources. 542, 231723.
41.Sindhuja, M., Harinipriya, S., Bala, A. C., & Ray, A. K. (2018). Environmentally available biowastes as substrate in microbial fuel cell for efficient chromium reduction. J. of Hazardous Materials. 355, 197-205.
42.Wei, L., Karahan, H. E., Zhai, S., Liu, H., Chen, X., Zhou, Z., ... & Chen, Y. (2017). Amorphous bimetallic oxide–graphene hybrids as bifunctional oxygen electrocatalysts for rechargeable Zn–air batteries. Advanced Materials. 29 (38), 1701410.
43.Chang, B. Y., & Park, S. M. (2010). Electrochemical impedance spectroscopy. Annual Review of Analytical Chemistry. 3, 207-229.
44.Jüttner, K. (1990). Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) of corrosion processes on inhomogeneous surfaces. Electrochimica Acta. 35 (10), 1501-1508. | ||
آمار تعداد مشاهده مقاله: 149 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 167 |