28836

بررسي خواص الكتروشيميايي سولفيد كبالت (Co3S4) سنتز شده به روش شيمي تر

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد و متالورژي

1399

1402/7/10

دكتر مسعود هاشمي نياسري- دكتر سميه اعلم الهدي

دكتر سيد مرتضي مسعودپناه

مهندسي مواد و متالورژِي

سولفيدها از متداول ترين مواد الكترودي در ابرخازن‌ها هستند و در ميان سولفيدهاي فلزي، Co3S4 به‌دليل ويژگي¬هاي منحصربه¬فرد مانند هدايت الكتريكي خوب، پايداري شيميايي بالا و عملكرد الكتروشيميايي قابل توجه مخصوصا در حوزه كاربردهاي ذخيره انرژي، به‌عنوان ماده مهم در حوزه تكنولوژي مطرح مي‌شوند. در اين پژوهش نانوذرات سولفيد كبالت با استفاده از روش هيدروترمال تك مرحله¬اي، براي توليد ماده فعال ابرخازن سنتز شدند و سپس به بررسي خواص ريزساختاري و الكتروشيميايي پودر Co3S4 پرداخته شد. براي سنتز اين ماده از پيش¬ماده¬هاي نيتراتي و استاتي به¬عنوان منبع كبالت همراه با سولفيد سديم، تيواوره و تيواستاميد به¬عنوان منبع گوگرد و سورفكتانت¬هاي مختلف مانند CTAB، PVA و اگزاليك اسيد در نسبت¬هاي مختلف استفاده شد. بررسي¬هاي ساختاري و ريزساختاري پودرهاي سنتزشده با آناليزهاي پراش پرتوايكس(XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني(FE-SEM)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي(SEM) و طيف¬سنجي تفكيك انرژي پرتوايكس(EDS) انجام شد و نتايج اين آناليزها تشكيل Co3S4 به صورت تك¬فاز با مورفولوژي متخلخل با اندازه ذرات حدودا بين 10 تا 200 نانومتر را نشان داد. سپس بررسي عملكرد الكتروشيميايي پودرها به كمك تست¬هاي ولتامتري چرخه¬اي(CV)، شارژ-تخليه (GCD) و طيف¬سنجي امپدانس الكتروشيميايي(EIS) انجام شد. براساس نتايج به دست آمده دو نمونه سنتز شده با استات كبالت و تيواوره همراه با نسبت خاصي از سورفكتانت¬هاي CTAB و PVA داراي بالاترين ظرفيت، معادل 1465 و 1467 فاراد بر گرم در نرخ جريان A/g 1 بودند. هم¬چنين براي نمونه بهينه كه همراه با اگزاليك اسيد به¬عنوان سورفكتانت سنتز شد، مقدار Rs(مقاومت محلول)، Rct(مقاومت در برابر مبادله الكترون)،W0(ضريب واربورگ و مقاومت نفوذ) به ترتيب برابر 9.76، 4.12 و 7.3 اهم اندازه¬گيري شد كه نشان¬دهنده مقاومت نسبتا پايين اين ماده است. اين نمونه در نهايت به دليل عملكرد بهينه و پتانسيل كار در محدوده مثبت، بعنوان الكترود مثبت يا كاتد در ابرخازن هيبريدي با الكترود منفي كربن فعال استفاده شد و مقدار چگالي انرژي 97/20 وات ‌ساعت بر كيلوگرم و چگالي توان 5032 وات بر كيلوگرم در چگالي جريان 1 آمپر بر گرم براي اين ماده حاصل شد.

1402/07/17

Investigating the electrochemical properties of cobalt sulfide (Co3S4) synthesized by chemical method

10/1/2024 12:00:00 AM

Sulfides are one of the most common electrode materials in supercapacitors, and among metal sulfides, Co3S4 is considered as an important material in the field of technology due to its unique characteristics such as good electrical conductivity, high chemical stability, and significant electrochemical performance, especially in the field of energy storage applications. be. In this research, cobalt sulfide nanoparticles were synthesized using a one-step hydrothermal method to produce supercapacitor active material, and then the microstructural and electrochemical properties of Co3S4 powder were investigated. For the synthesis of this material, nitrate and acetate precursors were used as a source of cobalt along with sodium sulfide, thiourea and thioacetamide as a source of sulfur and various surfactants such as CTAB, PVA and oxalic acid in different proportions . The structural and microstructural investigations of the synthesized powders were done with X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscope (FE-SEM), scanning electron microscope (SEM) and X-ray energy diffraction spectroscopy (EDS) and the results of these analyzes were Co3S4 showed a single phase with a porous morphology with a particle size between 10 and 200 nm. Then, the electrochemical performance of the powders was investigated using cyclic voltammetry (CV), charge-discharge (GCD) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests. Based on the obtained results, two samples synthesized with cobalt acetate and thiourea along with a certain proportion of CTAB and PVA surfactants had the highest capacity, equivalent to 1465 and 1467 farads/g at a flow rate of 1 A/g. Also, for the optimal sample that was synthesized with oxalic acid as a surfactant, the values of Rs (solution resistance), Rct (resistance to electron exchange), W0 (Warburg coefficient and penetration resistance) are 9.76, 4.12 and 7.3, Ohm was measured, which indicates the relatively low resistance of this material. Finally, due to its optimal performance and working potential in the positive range, this sample was used as a positive electrode or cathode in a hybrid supercapacitor with an active carbon negative electrode, and the energy density value was 20.97 Wh/kg and the power density was 5032 W/kg in current density 1 ampere/gram was obtained for this material.

ابرخازن , سولفيد كبالت , سنتز هيدروترمال تك مرحله اي , خواص الكتروشيميايي , Co3S4

Supercapacitor , cobalt sulfide , one-step hydrothermal synthesis , electrochemical properties , Co3S4

Ali Asghar Esmaeili

Dr. Somayeh Alamolhoda - Dr. Masoud Hashemi Niasari