Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу

В роботі вперше зроблено імпедансний аналіз електродів на основі мікропористих активованих вуглецевих матеріалів (АВМ) при анодній поляризації 0,3–0,5 В відносно водню в 25 % ZnI₂. Отримано добре співпадіння експериментальних імпедансних даних з лінійною трансмісійною моделлю пористого електрода та...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Бахматюк, Б.П., Дупляк, І.Я.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2016
Schriftenreihe:	Журнал физики и инженерии поверхности
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116944
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу / Б.П. Бахматюк, І.Я. Дупляк // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 2. — С. 225-233. — Бібліогр.: 21 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-116944
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1169442017-05-19T03:03:30Z Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу Бахматюк, Б.П. Дупляк, І.Я. В роботі вперше зроблено імпедансний аналіз електродів на основі мікропористих активованих вуглецевих матеріалів (АВМ) при анодній поляризації 0,3–0,5 В відносно водню в 25 % ZnI₂. Отримано добре співпадіння експериментальних імпедансних даних з лінійною трансмісійною моделлю пористого електрода та визначено параметри моделі. Параметри моделі показують великі значення питомої псевдоємності АВМ 0,08–9,6 Ф × м⁻² при малих значеннях постійної часу (τ) 1–193 с під час анодної поляризації. Отримані результати досліджень дозволяють судити про механізм специфічної адсорбції йоду на нанопористій поверхні АВМ і здатність досліджених електродів до високих потужних і енергетичних характеристик в системах молекулярних накопичувачів енергії. В работе впервые проведен импедансный анализ электродов на основании микропористых активированных углеродных материалов (АУМ) при анодной поляризации 0,3–0,5 В относительно водорода в 25 % ZnI₂. Получено хорошее совпадение экспериментальных импедансных данных с линейной трансмиссионной моделью пористого электрода и определены параметры модели. Параметры модели показывают большие значения удельного псевдоёмкостного заряда АУМ 0,08–9,6 Ф × м⁻² при небольших значениях постоянной времени (τ) 1–193 с при анодной поляризации. Полученные результаты исследований позволяют судить об механизме специфической адсорбции йода на нанопористой поверхности АУМ и способности исследованных электродов до высоких мощностных и энергетических характеристик в системах молекулярных накопителей энергии. In the work, for the first time, the impedance analysis of electrodes based on microporous activated carbon materials (AСM) at anodic polarization 0.3–0.5 V relative to hydrogen in 25 % ZnI₂ was made. Received a good match of experimental data with linear impedance transmission circuit of porous electrode and circuit parameters are defined. Circuit parameters settings showed high values of specific pseudocapacitance ACM from 008 to 9.6 Fm⁻² for small values of the time constant (τ) 1–193 s at anodic polarization. The results of the research allow to the specific adsorption mechanism of iodine on the surface nanoporous ACM and the ability of the investigated electrodes up to high power and energy characteristics of molecular systems of energy storage. 2016 Article Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу / Б.П. Бахматюк, І.Я. Дупляк // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 2. — С. 225-233. — Бібліогр.: 21 назв. — укр. 2519-2485 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116944 541.136.88, 541.135 uk Журнал физики и инженерии поверхности Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	В роботі вперше зроблено імпедансний аналіз електродів на основі мікропористих активованих вуглецевих матеріалів (АВМ) при анодній поляризації 0,3–0,5 В відносно водню в 25 % ZnI₂. Отримано добре співпадіння експериментальних імпедансних даних з лінійною трансмісійною моделлю пористого електрода та визначено параметри моделі. Параметри моделі показують великі значення питомої псевдоємності АВМ 0,08–9,6 Ф × м⁻² при малих значеннях постійної часу (τ) 1–193 с під час анодної поляризації. Отримані результати досліджень дозволяють судити про механізм специфічної адсорбції йоду на нанопористій поверхні АВМ і здатність досліджених електродів до високих потужних і енергетичних характеристик в системах молекулярних накопичувачів енергії.
format	Article
author	Бахматюк, Б.П. Дупляк, І.Я.
spellingShingle	Бахматюк, Б.П. Дупляк, І.Я. Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу Журнал физики и инженерии поверхности
author_facet	Бахматюк, Б.П. Дупляк, І.Я.
author_sort	Бахматюк, Б.П.
title	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу
title_short	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу
title_full	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу
title_fullStr	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу
title_full_unstemmed	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу
title_sort	імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
publishDate	2016
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116944
citation_txt	Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу / Б.П. Бахматюк, І.Я. Дупляк // Журнал физики и инженерии поверхности. — 2016. — Т. 1, № 2. — С. 225-233. — Бібліогр.: 21 назв. — укр.
series	Журнал физики и инженерии поверхности
work_keys_str_mv	AT bahmatûkbp ímpedansspecifíčnoadsorbovanogojodomaktivovanogovuglecevogomateríalu AT duplâkíâ ímpedansspecifíčnoadsorbovanogojodomaktivovanogovuglecevogomateríalu
first_indexed	2025-07-08T11:21:39Z
last_indexed	2025-07-08T11:21:39Z
_version_	1837077575738851328
fulltext	Бахматюк Б. П., Дупляк І. Я., 2016 © 225 Журнал фізики та інженерії поверхні, 2016, том 1, № 2, сс. 225–233; Журнал физики и инженерии поверхности, 2016, том 1, № 2, сс. 225–233; Journal of Surface Physics and Engineering, 2016, vol. 1, No. 2, pp. 225–233 УДК 541.136.88, 541.135 ІМПЕДАНС СПЕЦИФІЧНО АДСОРБОВАНОГО ЙОДОМ АКТИВОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОГО МАТЕРІАЛУ Б. П. Бахматюк, І. Я. Дупляк Національний Університет «Львівська політехніка», Україна Надійшла до редакції 27.05.2016 В роботі вперше зроблено імпедансний аналіз електродів на основі мікропористих активованих вуглецевих матеріалів (АВМ) при анодній поляризації 0,3–0,5 В відносно водню в 25 % ZnI2. Отримано добре співпадіння експериментальних імпедансних даних з лінійною трансмісійною моделлю пористого електрода та визначено параметри моделі. Параметри моделі показують великі значення питомої псевдоємності АВМ 0,08–9,6 Ф × м–2 при малих значеннях постійної часу (τ) 1–193 с під час анодної поляризації. Отримані результати досліджень дозволяють су- дити про механізм специфічної адсорбції йоду на нанопористій поверхні АВМ і здатність досліджених електродів до високих потужних і енергетичних характеристик в системах моле- кулярних накопичувачів енергії. Ключові слова: мікропористий активований вуглецевий матеріал, питома псевдоємність, еквівалентна електрична схема. ИМПЕДАНС СПЕЦИФИЧЕСКИ АДСОРБИРОВАННОГО ЙОДОМ АКТИВИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА Б. П. Бахматюк, И. Я. Дупляк В работе впервые проведен импедансный анализ электродов на основании микропористых активированных углеродных материалов (АУМ) при анодной поляризации 0,3–0,5 В относи- тельно водорода в 25 % ZnI2. Получено хорошее совпадение экспериментальных импедансных данных с линейной трансмиссионной моделью пористого электрода и определены параметры модели. Параметры модели показывают большие значения удельного псевдоёмкостного за- ряда АУМ 0,08–9,6 Ф × м–2 при небольших значениях постоянной времени (τ) 1–193 с при анодной поляризации. Полученные результаты исследований позволяют судить об механизме специфической адсорбции йода на нанопористой поверхности АУМ и способности исследо- ванных электродов до высоких мощностных и энергетических характеристик в системах мо- лекулярных накопителей энергии. Ключевые слова: микропористый активированный углеродный материал, удельная псевдо- ёмкость, эквивалентная электрическая схема. IMPEDANCE OF SPECIFICLLY IODINE ADSORBED ACTIVATED CARBON MATERIALS B. P. Bakhmatyuk, I. Ya. Dupliak In the work, for the first time, the impedance analysis of electrodes based on microporous activated carbon materials (AСM) at anodic polarization 0.3–0.5 V relative to hydrogen in 25 % ZnI2 was made. Received a good match of experimental data with linear impedance transmission circuit of porous electrode and circuit parameters are defined. Circuit parameters settings showed high values of specific pseudocapacitance ACM from 008 to 9.6 Fm–2 for small values of the time constant (τ) 1–193 s at anodic polarization. The results of the research allow to the specific adsorption mechanism of iodine on the surface nanoporous ACM and the ability of the investigated electrodes up to high power and energy characteristics of molecular systems of energy storage. Keywords: microporous аctivated carbon material, specific pseudocapacitance, equivalent electric circuit. ВСТУП Електрохімічна імпедансна спектроскопія (ЕІС) заснована на вимірюванні відгуку на пропускання змінного струму на частотах 10–3–105 Гц через електрохімічні системи, дозволяє отримати суттєву інформацію про кінетику і ємнісні показники цих процесів. Основи методики ЕІС представлені в [1–3]. ІМПЕДАНС СПЕЦИФІЧНО АДСОРБОВАНОГО ЙОДОМ АКТИВОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОГО МАТЕРІАЛУ 226 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 ЕІС широко використовується для дослі- дження систем для літієвих, літій-іонних і сонячних акумуляторів, суперконденсаторів тощо [4–6]. Теорія ЕІС пористого електрода розроблена в роботах [7, 8]. Реалізація псев- доємнісних процесів в пористих електродах дозволяє отримати в двісті разів більші пито- мі ємності в порівнянні з ємностями блоку- ючого електрода в конденсаторах подвійного шару (КПШ) [9]. Моделювання імпедансних даних до еквівалентних електричних схем (ЕЕС) широко використовується для дослі- дження пористих електродів для суперкон- денсаторів [10]. В роботі [11] запропоновані ЕЕС блокуючого пористого електрода, що ґрунтуються на лінійній трансмісійній мо- делі з дисперсією пор активованих вуглеце- вих матеріалів (АВМ). ЕЕС псевдоємнісного електрода відповідно до [12] складається з двох паралельно з’єднаних R-C ланок. Rs- Cdl — опір електроліта і ємність подвійного електричного шару, RF-CP — фарадеївський опір і псевдоємність, рис. 1 (вставка). A по- стійна часу τ = RF × CP є показником потужної здатності електродів в молекулярних накопи- чувачах енергії (МНЕ) [9]. МНЕ, як відомо, працюють на високооборотніх процесах за- ряду-розряду АВМ за механізмом фізичної адсорбції [13]. В [12] було виведено рівняння для імпедансу псевдоємнісного розблокова- ного електрода: Z(p) = (σA)–1(coth ml) × m–1); (1) m = [(σ')–1{pCdl + pCP(pCdlRFl + 1)–1}]0,5; (2) тут р — оператор Лапласа, σ — електрична провідність електроліта, l — довжина пори. Побудовано теоретичні залежнос - ті уявної складової імпедансу від дійсної (-ImZ-ReZ), що дістали назву діаграм Най- квіста (ДН), для трьох різних значень σ і двох l, рис. 1. ДН складаються з фараде- ївської петлі при високих частотах і прямої лінії при низьких частотах. За проекцією петлі на вісь ОХ визначають фарадеївський опір (RF), який представлений на ЕЕС (рис. 1, вставка). А пряма лінія визна- чає частотну залежність псевдоємності СР (рис. 1, вставка). В роботі [12] було прове- дено моделювання псевдоємнісного RuO2 електрода в сірчаній кислоті до лінійної трансмісійної ЕЕС з великою кількістю по- слідовно з’єднаних ланок електричного опору пори з її ємністю (R-C), для дослідження по- тужнісної здатності електрода. В роботах [14–16] було показано, що ре- алізація процесу електросорбції йоду на поверхні мікропористих АВМ дозволяє отримати великі псевдоємності від 2000 до 7300 Ф × г–1. В [15, 17] було використано ЕІС для вивчення псевдо ємнісних процесів АВМ в розчинах йодидів, але в цих роботах не було проведено системного досліджен- ня процесу електросорбції йоду на великій (більше 1500 м2г–1) поверхні мікропор з вико- ристанням ЕІС та моделювання до ЕЕС. Ви- мірювання частотної залежності імпедансу дозволяє визначити параметри ЕЕС, а отже отримати суттєву інформацію про енерге- тичні і потужні характеристики процесу на електроді. Тому метою нашої роботи є про- ведення імпедансного аналізу електродів при анодній поляризації в 25 % водному розчині ZnI2, вибрати ЕЕС межі розділу адсорбовано- го йодом АВМ з електролітом та визначити їх параметри. На основі отриманих експе- риментальних даних зробити висновок про здатність електродів в системі МНЕ забезпе- чувати високі енергетичні і потужні характе- ристики і механізм процесу електросорбції йоду. МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТУ В роботі досліджувались комерційні АВМ «Norit DLC Supеr 30» (АВМ1) і «Norit DLC Supra 30» (АВМ2), а також були використані ZnI2 (≥98 %, Aldrich), I2 (≥98 %, Aldrich) та Zn фольга (99,999 %, Aldrich). АВМ2 — це 10 8 6 –I m Z 4 2 0 0 1 Re Z 2 3 4 Rs σ` = 100 σ` = 1 σ` = 0,1 Rf Cp CdI Рис. 1. Теоретичні діаграми Найквіста в електролітах з різною провідністю Б. П. БАХМАТЮК, І. Я. ДУПЛЯК 227ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 мікропористий матеріал з загальною пито- мою поверхнею за БЕТ ST = 1900 м2 × г–1. Вміст мікропор складає Sмікро = 1810 м2 × г–1, а мезопор Sмезо = 90 м2 × г–1. Більш детально матеріал описаний в [16]. АВМ1 — мікро- пористий матеріал ST за БЕТ = Sмікро + Sмезо = 1540 м2 × г–1 + 60 м2 × г–1 = 1600 м2 × г–1) [18, 19]. Загальний об’єм пор складає 0,6 см3 × г−1 і середній розмір мікро- пор —1,24 нм. Всі електрохімічні вимі- рювання були зроблені з використанням вимірювального комплексу AUTOLAB PG- STAT 30 «ECO CHEMIE». Для досліджень виготовлялись плівкові електроди з активною масою ma = 2,5–5 мг, геометричною поверхнею S = 0,5–1 cм2, тов- щиною d = 0,1 мм, з додаванням 5 % тефлону і 10 % ацетиленової сажі, напресуванням їх на стальну сітку. Для вимірювань збирались трьохелектродні комірки з цинковим ано- дом (S = 2 см2) та нормальним хлорсрібним електродом порівняння. В якості електроліту використовувався 25 % розчин ZnI2 у воді. Електродні потенціали перераховувались відносно стандартного водневого електроду. ЕІС вихідних і адсорбованих зразків з роз- чину була проведена в частотному діапазоні 10–3–105 Гц з амплітудою змінного струму 0,005В. Електроди на основі АВМ були ви- міряні при анодній поляризації від початко- вого електродного потенціалу 0,3 до 0,5 В в потенціостатичних умовах. Моделювання імпедансних даних для встановлення відпо- відності до ЕЕС та визначення її параметрів, було проведено за допомогою комп’ютерної програми ZVіеw-2. Ємність визначалась за добре відомою формулою на f = 10–3 Гц : C = –(2p × f × ImZ), (3) тут f — частота змінного струму, ImZ — уявна складова імпедансу. ОТРИМАНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ Процес електросорбції йоду при анодній по- ляризації на поверхні АВМ (перехід йонів йоду в адатомний стан ) можна представити відомим рівнянням [16]: Cs + I– – e– = СsI, (4) тут Cs — поверхня АВМ. Як було показано в дослідженні [14], про- цес електросорбції йоду здійснюється при анодній поляризації електрода після досяг- нення потенціалу розблокування поверхні. Електродні потенціали вихідних зразків (до анодної поляризації) не досягають потенціа- лів розблокування поверхні. На рис. 2а (крива 1) і рис. 2б представлені діаграми Найквіста (ДН) вихідних зразків, виміряні на електро- дних потенціалах. Вони показують на частоті 10–3 Гц значення Сп = 0,11 Ф × м–2 (АВМ1) і Сп = 0,09 Ф × м–2 (АВМ2), що є типовими для ємності ПЕШ АВМ. Залежності ПЕШ характеризуються ве- ликим фазовим кутом близьким до 90°, при низьких частотах, як це добре продемон- стровано на рис. 2б. Збільшення анодної по- ляризації електрода приводить до зменшення фазового кута і зменшення модуля імпедансу при його типовій зигзагоподібній частотній залежності, як це видно на рис. 3a, б. Збільшення анодної поляризації електрода на основі АВМ супроводжується незначни- ми змінами RF (проекції петлі на вісь ReZ) 200 150 –I m Z, О м 100 50 0 0 50 ReZ, Ом 100 150 200 20 15 –I m Z, О м 10 5 0 0 5 ReZ, Ом 10 15 20 2 1 1 2 а 400 350 300 –I m Z, О м 250 200 150 100 50 0 –50 –50 0 50 ReZ, Ом 100 150 200 250 300 350 400 20 18 16 14 –I m Z, О м 12 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 ReZ, Ом 8 10 12 14 16 18 20 б Рис. 2. Діаграми Найквіста електродів АВМ1 (а) при Е = 0,34 В (1), Е = 0,4 В (2) і АВМ2 (б) при Е = 0,3 В в 25 % ZnI2 ІМПЕДАНС СПЕЦИФІЧНО АДСОРБОВАНОГО ЙОДОМ АКТИВОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОГО МАТЕРІАЛУ 228 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 значними зменшеннями значення — ReZ на найменшій частоті 10–3 Гц, що є обернено пропорційним до СР, відповідно до форму- ли (3). Це добре проілюстровано на рис. 1а майже чотириразовим зменшенням ReZ при 10–3 Гц (крива 2) в порівнянні з вихідним АВМ1 (крива 1). Це характерно й для всіх ДН (рис. 4). Частотні залежності псевдоємності для всіх випадків досліджених матеріалів харак- теризуються лавиноподібним наростанням ємності при найменших частотах близьких до 10–3 Гц (рис. 4), при цьому перехід до процесу електросорбції йоду при анодній поляризацій електрода до максимального потенціалу супроводжується зростанням а -phase / deg(+) 2,8 2,5 2,3 Io g( Z) (o ) 2,0 1,8 1,5 1,3 1,0 0,8 0,5 0,3 –4 –2 log(f) 1 4 6 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0 1,0 0,9 lo g( Z) (o ) 0,8 0,7 0,6 0,5 –4 –3 –2 –1 0 log(f) 1 2 3 4 5 30 -phase / deg(+) 25 20 15 10 5 0 б Рис. 3. Боде залежності вихідного електрода АВМ2 при E = 0,3 B (а) та при E = 0,5 B (б) в 25 % ZnI2 10 8 –l m Z, О м 6 4 2 0 0 2 4 ReZ, Ом 6 8 10 12 14 16 2 1 25,8 21,5 –l m Z, О м 17,2 12,9 8,6 4,3 0,0 0,0 4,3 ReZ, Ом 8,6 12,9 17,2 21,5 25,8 2 1 а б 12 9 –l m Z, О м 6 3 0 0 3 ReZ, Ом 6 9 12 2 1 в Рис. 4. ДН електродів АВМ1 (а) при Е = 0,45 В (1), Е = 0,5 В (2); АВМ2 (б) при Е = 0,4 B (1), Е = 0,43 B (2) і АВМ2 (в) Е = 0,48 В (1), Е = 0,5 В (2) в 25 % ZnI2 Б. П. БАХМАТЮК, І. Я. ДУПЛЯК 229ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 псевдоємнісного заряду електрода АВМ при E = 0,5 B в 67 разів, в порівнянні з вихідним електродом, рис. 5а, б. Максимальне значення псевдоємності АВМ2 при Е = 0,45 В в 88 разів перевищує ємність вихідного електрода, заблокованого для часткового перенесення заряду, рис. 5в, г. На побудованих за отриманими дани- ми СР на частоті 10–3 Гц залежностями питомої псевдоємності від електродного потенціала видно майже однакове макси- мальне значення СР = 7,7 Ф × м–2 для АВМ1 і СР = 7,5 Ф × м–2 для АВМ2. Воно майже співпадає з теоретичним максимальним значенням СР, макс.= 7,6 Ф × м–2 за даними роботи [16], розрахованого для електро- сорбції йоду на поверхні АВМ за моделлю Ленгмюра. Моделювання отриманих імпеданс- них даних до лінійних трансмісійних ЕЕС з розподілом за розміром пор, рис. 7 (вставка) і рис. 8 (вставка), дає добре спів- падіння з експериментальними даними. Відомо, що пористий електрод для МНЕ по- винен мати добре розвинену сітку каналів для підведення іонів електроліту до ви- сокорозвиненої нанопористої структури АВМ. Відповідно до ЕЕС побудована від фронтальної до тильної сторони. Вона по- чинається ланкою R1-CPE (неідеальна єм- ність) транспортних каналів електрода, які не дають суттєвого псевдоємнісного вкла- ду й можуть бути знехтувані, на відміну від суттєвого заряду, який дають мезо- і мікро- пори. Вони розбиті на два рівні інтервали (більші й менші нанопори) для АВМ1 і три рівні інтервали (більші, середні й менші на- нопори) для АВМ2 в напрямку зменшення їхнього діаметра (d). Ланки R2-C2 (більші 0,20 0,18 0,16 С р, Ф м –2 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 0,00 0,02 f, Гц 0,04 0,06 0,08 0,10 а б 10 8 С р, Ф м –2 6 4 2 0 0,0 f, Гц 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,078 С р, Ф м –2 0,052 0,026 0,000 0 2 4 f, Гц 6 8 10 в г 8,4 С , Ф м –2 5,6 2,8 0,0 0,00 0,28 f, Гц 0,56 0,84 Рис. 5. Частотні залежності ємності АВМ1 при Е = 0,34 В (а), Е = 0,5 В (б) і АВМ2 при Е = 0,3 В (в), Е = 0,5 В (г) в 25 % ZnI2 8 7 6 5 С р, Ф м –2 4 3 2 1 0 –1 0,30 0,35 Е, В 0,40 0,45 0,50 0,55 АВМ2 АВМ1 Рис. 6. Вольт-фарадні залежності АВМ1(а) і АВМ2 (а) ІМПЕДАНС СПЕЦИФІЧНО АДСОРБОВАНОГО ЙОДОМ АКТИВОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОГО МАТЕРІАЛУ 230 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 нанопори), R3-C3 (менші або середні нанопори), R4-C4 (меньші нанопори) від- повідають всій доступній для заряду на- нопористій структурі АВМ. При цьому ЕЕС АВМ1 не має середніх нанопор в силу його меншої поверхні в порівнянні з АВМ2. Визначені параметри ЕЕС (табл. 1, 2) показують великі значення за- гального питомого псевдоємнісного заряду (СT) АВМ від 0,08–9,6 Ф × м–2 при малих зна- ченнях τ, що змінюються від 1–192,8 с для АВМ2, а для АВМ1 0,08–7,6 Ф × м–2 і τ змі- нюється від 5 до 172 с. І це відбувається при невеликих значеннях поляризації електрода ΔЕ = 0,15–0,16 В. А великий псевдоємніс- ний заряд при малій поляризації електрода буде забезпечувати великі питомі енергетич- ні характеристики електрода на основі АВМ в МНЕ. При цьому збільшення електродного по- тенціалу при анодній поляризації дає біль- ший вклад до питомого заряду менших нанопор, що супроводжується збільшенням τ. ЕЕС не змінюється якісно для блокую- чого і розблокованого електрода. Аналіз динаміки зміни RF від прикладеної анод- ної поляризації електродів АВМ показує невеликі зміни їх значень від вихідного по- тенціалу блокуючого електрода (табл.1, 2), на яких петля визначається частотною залеж- ністю об’ємного опору електрода. А перехід електрона з йона йоду на додатні центри поляризованого електрода (опір стадії пе- ренесенням заряду) АВМ, мали б давати значно більший вклад до RF. Це свідчить на користь відомого механізму специфіч- ної адсорбції йоду на металах з частко- вим перенесенням заряду. Відповідно до цього механізму при потенціалах розбло- кування поверхні йони йоду звільняються від своєї гідратної оболонки і ефективно заповнюють нанопористу поверхню АВМ у вигляді моношару, що забезпечує їм великий псевдоємнісний заряд. Під час цього відбувається зменшення d гідратовано- го йона йоду від 0,53 нм [20] до 0,456 нм для несольватованого [21]. –7,5 –5,0 Im Z, О м –2,5 0,0 2,5 ReZ, Ом 5,0 7,5 10,0 1 2 R1 R2 R3 C3 C2 CPE1 Рис. 7. ДН АВМ1 експериментальна (1) і модельна (2) відповідно до ЕЕС (вставка) в 25 % ZnI2 при Е = 0,5 В Таблиця 1 Параметри ЕЕС АВМ1 в 25 % ZnI2 E, В RF , Ом τ2, с C2, Ф τ3, с C3, Ф CT, Ф × м–2 0,34 8,3 5 0,27 70,2 0,4 0,08 0,40 8,3 10 1,0 48,6 1,6 0,3 0,45 6,3 45,0 3,6 121,0 15,6 2,4 0,50 5,8 74,0 8,5 172 52,4 7,6 –10,0 –7,5 Im Z, О м –5,0 –2,5 0,0 2,5 5,0 ReZ, Ом 7,5 10,0 12,5 R1 R2 R3 R4 C4 C3 C2 CPE1 Рис. 8. ДН АВМ2 експериментальна (1) і модельна (2) відповідно до ЕЕС (вставка) в 25 % ZnI2 при Е = 0,45 В Б. П. БАХМАТЮК, І. Я. ДУПЛЯК 231ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 ВИСНОВКИ 1. Аналіз зміни фарадеївського опору та питомої ємності електрода на основі АВМ анодній поляризації електрода показує: а) значне (більше 100 разів) підвищення пи- томої ємності; б) деяке зменшення фарадеївського опору. Це може бути доказом механізму специ- фічної адсорбції йоду на поверхні мікропо- ристої поверхні АВМ. 2. Добре співпадіння експериментальних даних з модельними відповідно до лінійної трансмісійної еквівілентної схеми з розподі- лом за розмірами пор і визначення параме- трів цієї схеми дозволяє визначити здатність електродів на основі АВМ в 25 % ZnI2 до високих питомих енергетичних і потужних характеристик. Так, наприклад, анодна по- ляризація відбувається: а) із збільшенням питомих ємностей від 0,08 до 9,6 Ф × м–2 при малій поляризації елек- трода ΔЕ = 0,15 В для АВМ1; б) при малих значеннях τ, що змінюються від 1 до 192,8 с для АВМ2, а для АВМ1 τ змі- нюється від 5 до 172 с. ЛІТЕРАТУРА 1. Lvovich V. F. Impedance spectroscopy: applications to electrochemical and dielectric phenomena. — Wiley: Hoboken, 2012. — 368 p. 2. Barsoukov E., Macdonald J. R. Impedance spectroscopy: theory, experiment and applications. — Wiley: Hoboken, 2005. 3. Orazem M. E., Tribollet B. Electrochemical impedance spectroscopy. John Wiley & Sons, Hoboken. — ISBN 978- 0470041406, 2008. — 523 p. 4. Taberna P. L., Simon P., Fauvarque J. F. Electrochemical characteristics and impedance spectroscopy studies of carbon-carbon supercapacitors // J Electrochem Soc. — 2003. — Vol. 150. — P. A292–A300. 5. Buller S., Thele M., De Doncker R. W., Karden E. Impedance based simulation models of supercapacitors and Li-ion batteries for power electronic applications // Conference record of the IEEE industry applications conference, 38-th IAS annual meeting. — Piscataway. — 2003. — Vol. 3. — P. 1596–1600. 6. Wei T., Qi X., Qi Z. An improved ultracapacitor equivalent circuit model for the design of energy storage power systems // Proceedings of the international conference on electrical machines and systems. — Seoul. — 2007. — P. 69–73. 7. De Levie R. Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering. — New York: Interscience, 1967. — 329 p. 8. Raistrick I. D., McHardy J., Ludwig F. Electro- chemistry of Semiconductors and Electronics: Processes and Devices // Noyes Publications, Park Ridge: NJ, 1992. — P. 297–355. 9. Zhang Y., Feng H., Wu X., Wang L., Zhang A., Xia T., Dong H., Li X., Zang L. Progress of electrochemical capacitors electrode materials: A review // International J. of hydrogen ener- gy. — 2009. — Vol. 34. — P. 4889–4899. 10. Fletcher S., Black V. J., Kirkpatrick I. // J. Solid State Electrochem. — 2014. — Vol. 18. — P. 1377–1387. doi: 10.1007/s10008- 013-2328-4. 11. Song H. K., Hwang H. Y., Lee K. H., Dao L. H. The effect of pore size distribution on the frequency dispersion of porous electrodes // Electrochimica Acta. — 2000. — Vol. 45, Is- sue 14. — P. 2241–2257. doi: 10.1016/s0013- 4686(99)00436-3. Таблиця 2 Параметри ЕЕС АВМ2 в 25 % ZnI2 E, В RF, Ом τ2, с C2, Ф τ3, с C3, Ф τ4, с C4, Ф CT,Ф × м–2 0,30 3,4 1,0 0,19 2,6 0,18 42,0 0,026 0,08 0,40 3,8 3,9 0,9 7,5 4,1 52 2,75 1,6 0,43 4,2 11,4 2,6 8,2 9,1 118 12,95 4,98 0,45 4,0 16,2 3,88 12 13,76 172,4 27,81 9,6 0,48 2,8 11,3 4,18 31,7 16,11 192,8 24,07 9,3 ІМПЕДАНС СПЕЦИФІЧНО АДСОРБОВАНОГО ЙОДОМ АКТИВОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОГО МАТЕРІАЛУ 232 ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 12. Conway B. E. Electrochemical Supercapaci- tors: Scientific Fundamentals and Technologi- cal Applications // Springer Science & Business Media, 2013. — 698 p. doi: 10.1007/978-1- 4757-3058-6 13. Лидоренко Н. С. Введение в молекуляр- ную электронику. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 320 с. 14. Bakhmatyuk B. P., Venhryn B. Ya., Grygor- chak I. I., Micov M. M., Kulyk Yu. O. On the hierarchy of the influences of porous and electronic structures of carbonaceous materials on parameters of molecular storage devices // Electrochimica Acta. — 2007. — Vol. 52, Issue 24. — P. 6604–6611. doi: 10.1016/j.electacta. 2007.04.053. 15. Bakhmatyuk B. P., Venhryn B. Ya., Grygor- chak I. I., Micov M. M. Influence of chemical modification of activated carbon surface on characteristics of supercapacitors // Journal of Power Sources. — 2008. — Vol. 180, Issue 2. — P. 890–895. doi: 10.1016/j.jpowsour. 2008.02.045. 16. Bakhmatyuk B. P. Hight-energy-density elec- trode on the basis of activated carbon mate- rial for hybrid supercapacitors // Electrochim- ica Acta. — 2015. — Vol. 163 — P. 167–173. doi: 10.1016/j.electacta.2015.02.118 17. Бахматюк Б. П., Курепа А. С. Аніонний специфічний ефект на поверхні активова- ного вугілля у системі суперконденсатора // Фізична інженерія поверхні. — 2011. — Т. 9, № 4. — С. 323–331. 18. Produced by Norit Activated Carbon, CABOT Inc., http://www.norit.com/. 19. Pohlmann S., Lobato B., Centeno T. A., Bal- ducci A. The influence of pore size and surface area of activated carbons on the performance of ionic liquid based supercapacitors // Physi- cal Chemistry Chemical Physics. — 2013. — Vol. 15, Issue 40. — P. 17287–17294. doi: 10.1039/c3cp52909f. 20. Lota G., Frackowiak E. Striking capacitance of carbon/iodide interface // Electrochem- istry Communications. — 2009. — Vol. 11, Issue 1. — P. 87–90. doi: 10.1016/j.ele- com.2008.10.026 21. Mianowski A., Owczarek M., Marecka A. Sur- face Area of Activated Carbon Determined by the Iodine Adsorption Number // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. — 2007. — Vol. 29, Issue 9. — P. 839–850. doi: 10.1080/00908310500430901 LІTERATURA 1. Lvovich V. F. Impedance spectroscopy: appli- cations to electrochemical and dielectric phe- nomena. — Wiley: Hoboken, 2012. — 368 p. 2. Barsoukov E., Macdonald J. R. Impedance spectroscopy: theory, experiment and appli- cations. — Wiley: Hoboken, 2005. 3. Orazem M. E., Tribollet B. Electrochemical impedance spectroscopy. John Wiley & Sons, Hoboken — ISBN 978-0470041406, 2008. — 523 p. 4. Taberna P. L., Simon P., Fauvarque J. F. Electrochemical characteristics and impe- dance spectroscopy studies of carbon-carbon supercapacitors // J Electrochem Soc. — 2003. — Vol. 150. — P. A292–A300. 5. Buller S., Thele M., De Doncker R. W., Karden E. Impedance based simulation models of supercapacitors and Li-ion batteries for power electronic applications // Conference record of the IEEE industry applications conference, 38-th IAS annual meeting. —Piscataway. — 2003. — Vol. 3. — P. 1596–1600. 6. Wei T., Qi X., Qi Z. An improved ultracapacitor equivalent circuit model for the design of ener- gy storage power systems // Proceedings of the international conference on electrical machines and systems. — Seoul. — 2007. — P. 69–73. 7. De Levie R. Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering. — New York: Interscience, 1967. — 329 p. 8. Raistrick I. D., McHardy J., Ludwig F. Ele- ctrochemistry of Semiconductors and Elec- tronics: Processes and Devices // Noyes Pub- lications, Park Ridge: NJ, 1992. — P. 297–355. 9. Zhang Y., Feng H., Wu X., Wang L., Zhang A., Xia T., Dong H., Li X., Zang L. Progress of electrochemical capacitors electrode materials: A review // International J. of hydrogen ener- gy. — 2009. — Vol. 34. — P. 4889–4899. 10. Fletcher S., Black V. J., Kirkpatrick I. // J. Solid State Electrochem. — 2014. — Vol. 18. — P. 1377–1387. doi: 10.1007/s10008-013-2328-4. 11. Song H. K., Hwang H. Y., Lee K. H., Dao L. H. The effect of pore size distribution on the frequency dispersion of porous elec- trodes // Electrochimica Acta. — 2000. — Б. П. БАХМАТЮК, І. Я. ДУПЛЯК 233ЖФІП ЖФИП JSPE, 2016, т. 1, № 2, vol. 1, No. 2 Vol. 45, Issue 14. — P. 2241–2257. doi: 10.1016/s0013- 4686(99)00436-3. 12. Conway B. E. Electrochemical Super capacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications // Springer Sci ence & Business Media, 2013. — 698 p. doi: 10.1007/978-1- 4757-3058-6. 13. Lidorenko N. S. Vvedenie v moleku lyarnuyu elektroniku. — M.: Energoatomizdat, 1984. — 320 p. 14. Bakhmatyuk B. P., Venhryn B. Ya., Grygor- chak I. I., Micov M. M., Kulyk Yu. O. On the hierarchy of the influences of porous and electronic structures of carbonaceous materials on parameters of molecular storage devices // Electrochimica Acta. — 2007. — Vol. 52, Issue 24. — P. 6604–6611. doi: 10.1016/j.electacta. 2007.04.053. 15. Bakhmatyuk B. P., Venhryn B. Ya., Grygor- chak I. I., Micov M. M. Influence of chemical modification of activated carbon surface on characteristics of supercapacitors // Journal of Power Sources. — 2008. — Vol. 180, Issue 2. — P. 890–895. doi: 10.1016/j.jpowsour. 2008.02.045 16. Bakhmatyuk B. P. Hight-energy-density electrode on the basis of activated carbon ma terial for hybrid supercapacitors // Elec trochimica Acta. — 2015. — Vol. 163 — P. 167–173. doi: 10.1016/j. electacta. 2015.02.118. 17. Bahmatyuk B. P., Kurepa A. S. Anіonnij specifіchnij efekt na poverhnі aktivovanogo vugіllya u sistemі superkondensatora // Fіzi- chna іnzhenerіya poverhnі. — 2011. — Vol. 9, No. 4. — P. 323–331. 18. Produced by Norit Activated Carbon, CABOT Inc., http://www.norit.com/. 19. Pohlmann S., Lobato B., Centeno T. A., Baldu- cci A. The influence of pore size and surface area of activated carbons on the performance of ionic liquid based supercapacitors // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2013. — Vol. 15, Issue 40. — P. 17287–17294. doi: 10.1039/c3cp52909f. 20. Lota G., Frackowiak E. Striking capacitance of carbon/iodide interface // Electrochemistry Communications. — 2009. — Vol. 11, Issue 1. — P. 87–90. doi: 10.1016/j.elecom.2008.10.026. 21. Mianowski A., Owczarek M., Marecka A. Surface Area of Activated Carbon Determined by the Iodine Adsorption Number // Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. — 2007. — Vol. 29, Issue 9. — P. 839–850. doi: 10.1080/0090831050043090.

Імпеданс специфічно адсорбованого йодом активованого вуглецевого матеріалу

Institution

Ähnliche Einträge