Preparación de nanocubos de Fe4[Fe(CN)6]3 de alta calidad: como material de cátodo para baterías acuosas de iones de sodio

WANG Wu-Lian. Nanocubos de Fe4[Fe(CN)6]3 de alta calidad: Síntesis y rendimiento electroquímico como material de cátodo para baterías acuosas de iones de sodio. Revista de materiales inorgánicos[J], 2019, 34(12): 1301-1308 doi:10.15541/jim20190076

Se sintetizaron nanocubos de Fe4[Fe(CN)6]3 (HQ-FeHCF) de alta calidad mediante un método hidrotermal simple. Se caracteriza su estructura, morfología y contenido de agua. Fe4[Fe(CN)6]3 exhibe una forma cúbica regular con un tamaño uniforme de ca. 500 nm, que pertenece a la fase cúbica centrada en las caras. Fe4[Fe(CN)6]3 muestra capacidades de descarga de 124, 118, 105, 94, 83, 74 y 64 mAh·g -1 a 1C, 2C, 5C, 10C, 20C, 30C y 40C, respectivamente, en el electrolito ternario acuoso de NaClO4-H2O-polietilenglicol. Su retención de capacidad se mantiene al 100% después de 500 ciclos de carga/descarga a razón de 5C. Se fabricó la batería completa con Fe4[Fe(CN)6]3 como cátodo y NaTi2(PO4)3 como ánodo, que entrega una densidad de energía específica de 126 Wh·kg -1 (basada en los materiales del electrodo activo) con un voltaje salida de 1,9 V. Además,

Preparación de materiales de electrodos

Utilizando Na4Fe(CN)6 como única fuente de hierro, se sintetizaron nanomateriales Fe4[Fe(CN)6]3(HQ-FeHCF) de alta calidad mediante un método hidrotermal simple. Además, se sintetizaron nanomateriales Fe4[Fe(CN)6]3(LQ-FeHCF) de baja calidad mediante métodos tradicionales de comparación, y se estudiaron la estructura, la morfología y las propiedades electroquímicas de HQ-FeHCF y LQ-FeHCF. Finalmente, utilizando HQ-FeHCF como electrodo positivo, NaTi2(PO4)3 como electrodo negativo y NaClO4-H2O-polietilenglicol (PEG) como electrolito, se ensambló una batería completa acuosa de iones de sodio.

Preparación de HQ-FeHCF y  LQ-  FeHCF

A temperatura ambiente, se añadieron 4 g de polivinilpirrolidona K-30 (PVP) y 0,126 g de ferrocianuro de sodio decahidratado a 50 mL de ácido clorhídrico acuoso a pH=0,8, se agitó durante 1 h y la solución se volvió amarilla cuando se disolvió por completo. Luego, la solución agitada uniformemente se colocó en un horno a 80 °C durante 12 h. La solución enfriada a temperatura ambiente se centrifugó para obtener un precipitado y se lavó con agua desionizada. Después de repetir 4 veces, la muestra de HQ-FeHCF se obtuvo secando en estufa a 80 °C durante 8 h. 

Agregue 2,7 g de cloruro férrico hexahidratado y 3,6 g de ferrocianuro de sodio decahidratado en 100 ml de agua desionizada, respectivamente. Agitar a 60 °C hasta que las dos soluciones se disuelvan por completo. A continuación, se añadió una solución salina hexahidratada de cloruro férrico a una solución salina decahidratada de ferrocianuro de sodio para generar una gran cantidad de precipitado azul oscuro. Después de la incubación a 60 °C durante 1 h, la solución se centrifugó para obtener un precipitado, el cual se lavó cuatro veces con agua desionizada y luego se secó en estufa a 80 °C durante 8 h para obtener la muestra LQ-FeHCF.

Los materiales de los electrodos preparados se mezclaron según la proporción de m (material activo): m (negro de acetileno): m (fluoruro de polivinilideno (PVDF)) = 75:15:10. Añadir una cantidad apropiada de N-metilpirrolidona (NMP) y agitar durante 8 horas y luego esparcir la suspensión uniformemente agitada sobre una malla circular de titanio con un diámetro de aproximadamente 1,3 cm. Séquelo en un horno a 80 ° C durante 12 h y luego presiónelo en una lámina delgada con una prensa de tabletas bajo una presión de 10 MPa para hacer un electrodo de trabajo. Se ensambló un sistema de tres electrodos utilizando alambre de platino como contraelectrodo y cloruro de plata como electrodo de referencia. Se probaron la plataforma de carga y descarga, el rendimiento de la tasa y la estabilidad del ciclo de HQ-FeHCF. Se utilizó una lámina de electrodos HQ-FeHCF con un diámetro de 1,3 cm como electrodo positivo (carga de material activo de 1,14 mg). La lámina de electrodos de NaTi2(PO4)3 se usó como electrodo negativo (la carga de material activo fue de 2,73 mg). Se formó una batería completa para la prueba de rendimiento de carga y descarga de corriente constante, y el rango de voltaje de carga y descarga de corriente constante del sistema de batería fue de 0 a 2 V. La capacidad de descarga del electrodo y la densidad de energía de la batería solo se calculan en función de la masa de el material activo. El electrolito utiliza el sistema NaClO4+H2O+polietilenglicol (PEG).

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