Hoogwaardige Fe4 [Fe (CN) 6] 3 Nanocubes-voorbereiding: als kathodemateriaal voor waterige natriumionbatterijen

WANG Wu-Lian. Hoogwaardige Fe4 [Fe (CN) 6] 3 nanokubussen: synthese en elektrochemische prestaties als kathodemateriaal voor waterige natriumionbatterijen. Journal of anorganische materialen[J], 2019, 34(12): 1301-1308 doi:10.15541/jim20190076

Deel 2: Structuurkarakterisering van Fe4[Fe(CN)6]3 nanokubussen

Figuur 1(a) toont de XRD-patronen van HQ-FeHCF en LQ-FeHCF. Uit de figuur blijkt dat alle diffractiepieken van HQ-FeHCF consistent zijn met de JCPDS NO. 01-0239 kaart. Het laat zien dat de gesynthetiseerde HQ-FeHCF een vlakgecentreerde kubische (fcc) structuur heeft, die behoort tot de fm-3m ruimtepuntgroep, a=b=c=0,51 nm, α=β=γ=90°. Er waren geen andere pieken, wat aangeeft dat het gesynthetiseerde HQ-FeHCF van hoge zuiverheid was. De scherpe karakteristieke pieken geven ook aan dat de HQ-FeHCF-nanomaterialen die langzaam worden gesynthetiseerd door toevoeging van PVP een uitstekende kristalliniteit hebben en een typische Fe4[Fe(CN)6]3-kristalstructuur hebben. De diffractiepieken van LQ-FeHCF bereid door snelle precipitatie zijn niet scherp, wat aangeeft dat de kristalliniteit slecht is. De afbeelding in de rechterbovenhoek van figuur 1(a) is een schematisch diagram van de eenheidscelstructuur van HQ-FeHCF, die is samengesteld uit een open driedimensionaal raamwerk, Fe1 is verbonden met zes stikstofatomen en Fe2 is omgeven door octaëders van koolstofatomen gecoördineerd met cyanide. Er is een grote interstitiële plaats in het midden van deze open raamwerkstructuur, die voldoende ruimte biedt voor het inbrengen/onttrekken van Na+. Om het gehalte aan kristalwater in de gesynthetiseerde materialen te bepalen, werden thermogravimetrische analysetesten uitgevoerd op HQ-FeHCF en LQ-FeHCF. Onder N2-atmosfeer worden de resultaten gemeten bij een verwarmingssnelheid van 10 °C/min weergegeven in figuur 1(b). Het gewichtsverlies bij 30-200 ℃ komt overeen met het verwijderen van kristalwater; het gewichtsverlies bij 200-400 ℃ komt overeen met de ontleding van [Fe(CN)6]. Uit figuur 1(b) blijkt dat het gehalte aan HQ-FeHCF-kristallisatiewater 13% is, en die van LQ-FeHCF-kristallisatiewater is 18%. HQ-FeHCF bevat minder kristallisatiewater dan LQ-FeHCF, wat er ook op wijst dat HQ-FeHCF minder [Fe(CN)6] leegstandsdefecten heeft dan LQ-FeHCF. Om de inhoud van [Fe(CN)6] leegstandsdefecten in het materiaal verder nauwkeurig te testen, werden HQ-FeHCF en LQ-FeHCF verfijnd door XRD, zoals weergegeven in Tabel 1 en Tabel 2. In HQ-FeHCF, de Fe2 /Fe1 atoomverhouding is 0,91, wat aangeeft dat er 9% [Fe(CN)6] leegstandsdefecten zijn. In LQ-FeHCF is de atoomverhouding Fe2/Fe1 0,74, wat aangeeft dat het [Fe(CN)6] gehalte aan leegstandsdefecten 26% is. HQ-FeHCF en LQ-FeHCF werden verfijnd door XRD, zoals weergegeven in tabel 1 en tabel 2. In HQ-FeHCF is de atomaire verhouding Fe2/Fe1 0,91, wat aangeeft dat er 9% [Fe(CN)6] leegstandsdefecten zijn . In LQ-FeHCF is de atoomverhouding Fe2/Fe1 0,74, wat aangeeft dat het [Fe(CN)6] gehalte aan leegstandsdefecten 26% is. HQ-FeHCF en LQ-FeHCF werden verfijnd door XRD, zoals weergegeven in tabel 1 en tabel 2. In HQ-FeHCF is de atomaire verhouding Fe2/Fe1 0,91, wat aangeeft dat er 9% [Fe(CN)6] leegstandsdefecten zijn . In LQ-FeHCF is de atoomverhouding Fe2/Fe1 0,74, wat aangeeft dat het [Fe(CN)6] gehalte aan leegstandsdefecten 26% is.

Fig. 1 (a) XRD-patronen en (b) TG-curven van HQ-FeHCF en LQ-FeHCF met inzet in (a) die de kristalstructuur van HQ-FeHCF toont

Tabel 1 Fractionele coördinaten van HQ-FeHCF bepaald op basis van de Rietveld-methode

Tabel 2 Fractionele coördinaten van LQ-FeHCF bepaald met de Rietveld-methode

Figuur 2(a~b) zijn SEM-foto's van HQ-FeHCF bij verschillende vergrotingen, en het is duidelijk te zien dat HQ-FeHCF een kubusstructuur is met een zijlengte van ongeveer 500 nm. Het oppervlak van de kubus is regelmatig en compleet en de monsterdeeltjes zijn goed verspreid, uniform van grootte en zonder ernstige ophoping. Figuur 2 (c ~ d) zijn SEM-foto's van LQ-FeHCF bij verschillende vergrotingen, het is te zien dat LQ-FeHCF een onregelmatige korrelvorm heeft. Dit komt omdat het snelle precipitatieproces ervoor zorgt dat LQ-FeHCF geen volledige en regelmatige structuurmorfologie heeft. Bovendien is er een groot aantal ongeordende [Fe(CN)6] leegstandsdefecten en kristalwater, wat ook zal leiden tot slechte elektrochemische prestaties van LQ-FeHCF.

Om de microscopische morfologie van HQ-FeHCF en LQ-FeHCF verder te observeren, werden de materialen gekenmerkt door TEM. Zoals weergegeven in figuur 3 (a), heeft elk HQ-FeHCF nanocubisch deeltje een gladde rand en een volledige vorm zonder duidelijke defecten, wat ook aantoont dat het gesynthetiseerde HQ-FeHCF een goede kristalliniteit en hoge kwaliteit heeft. Zoals weergegeven in figuur 3 (b), heeft LQ-FeHCF verschillende deeltjesgroottes en onregelmatige structurele kenmerken, wat consistent is met de SEM-foto van LQ-FeHCF in figuur 2, wat aangeeft dat LQ-FeHCF een slechte kristalliniteit, lage kwaliteit en veel gebreken.

Fig. 2 SEM-afbeeldingen van (ab) HQ-FeHCF en (cd) LQ-FeHCF

Fig. 3 TEM-afbeeldingen van (a) HQ-FeHCF en (b) LQ-FeHCF

Lees meer over de materialen voor natriumionbatterijen van TOB NEW ENERGY .