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산화 환원 활성 금속-유기 프레임워크의 고체 전기화학에서 중간체의 자기 측정 특성 분석

DOI:

10.3791/65335

⸱

June 9th, 2023

 ,  , 
1Department of Chemistry, Graduate School of Science, Nagoya University, 2International Research Organization for Advanced Science and Technology, Kumamoto University, 3Integrated Research Consortium on Chemical Sciences, Nagoya University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

현장 자기 조사는 자기 전극에 대한 대량 및 로컬 정보를 직접 제공하여 전하 저장 메커니즘을 단계별로 밝힐 수 있습니다. 여기에서 전자 스핀 공명(ESR) 및 자화율은 산화 환원 활성 금속-유기 프레임워크(MOF)에서 상자성 종 및 그 농도의 평가를 모니터링하기 위해 입증됩니다.

Abstract

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전기화학적 에너지 저장은 지난 5년 동안 산화 환원 활성 금속-유기 프레임워크(MOF)의 응용 분야에서 널리 논의되었습니다. MOF는 중량 측정 또는 면적 커패시턴스 및 순환 안정성 측면에서 뛰어난 성능을 보여 주지만 불행히도 대부분의 경우 전기 화학적 메커니즘이 잘 이해되지 않습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 및 X선 흡수 미세 구조(XAFS)와 같은 전통적인 분광 기술은 특정 원소의 원자가 변화에 대한 모호하고 질적인 정보만 제공했으며 이러한 정보를 기반으로 제안된 메커니즘은 종종 매우 논쟁의 여지가 있습니다. 이 기사에서는 고체 상태 전기 화학 전지의 제조, 전기 화학 측정, 전지 분해, MOF 전기 화학 중간체 수집 및 불활성 가스 보호하에 중간체의 물리적 측정을 포함한 일련의 표준화 된 방법을보고합니다. 산화 환원 활성 MOF의 단일 전기 화학 단계 내에서 전자 및 스핀 상태 진화를 정량적으로 명확히하기 위해 이러한 방법을 사용함으로써 MOF뿐만 아니라 강한 상관 관계를 가진 다른 모든 재료에 대한 전기 화학적 에너지 저장 메커니즘의 특성에 대한 명확한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

Introduction

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1990년대 후반, 특히 2010년대에 금속-유기 프레임워크(MOF)라는 용어가 도입된 이후, MOF에 관한 가장 대표적인 과학적 개념은 게스트 캡슐화, 분리, 촉매 특성 및 분자 감지 1,2,3,4를 포함한 구조적 다공성에서 비롯되었습니다 . 한편, 과학자들은 MOF를 최신 스마트 장치에 통합하기 위해 자극 반응형 전자 특성을 보유하는 것이 필수적이라는 것을 빠르게 깨달았습니다. 이 아이디어는 지난 10년 동안 전도성 2차원(2D) MOF 제품군의 탄생과 번성을 촉발하여 MOF가 전자 제품5 및 더 매력적으로 전기화학 에너지 저장 장치6에서 핵심적인 역할을 할 수 있는 문을 열었습니다. 이러한 2D MOF는 알칼리 금속 전지, 수성 전지, 유사 커패시터 및 슈퍼 커패시터 7,8,9에 활물질로 통합되었으며 우수한 안정성과 함께 엄청난 용량을 발휘했습니다.

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Protocol

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1. 전극 제작

  1. Cu-THQ MOF 합성
    참고: Cu-THQ MOF 다결정 분말은 이전에 발표된 절차 14,20,23에 따라 열수법을 통해 합성되었습니다.
    1. 60mg의 테트라 히드 록시 퀴논을 20mL 앰플에 넣은 다음 10mL의 탈기 된 물을 첨가하십시오. 별도의 유리 바이알에 110mg의 구리 (II) 질산염 삼 수화물을 10mL의 탈기 된 물에 용해시킵니다. 피펫을 사용하여 경쟁 리간드 에틸렌디아민 46μL를 추가합니다.
      알림: 탈이온수를 탈기하려면 사용하기 전에 30분 동안 질소 가스를 흐르게 하십시오. 반응 혼합물을 너무 오래 가열하면 Cu 불순물이 형성되어 약 43°(Cu Kα)의 회절 피크가 나타날 수 있습니다.
    2. 구리 용액을 테트라하이드록시퀴논을 함유하는 앰플에 도입한다. 용액의 색상이 즉시 빨간색에서 네이비로 바뀝니다. 생성된 용액을24번 동결, 펌핑 및 해동하여 용존 산소를 추가로 제거한다.
    3. 진공 상태에서 토치를 사용하여 앰플을 화염 밀봉합니다.....

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Results

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우리의 이전 작업에는 전기화학적으로 순환 된 CuTHQ20에 대한 현장 ESR 분광법 및 현장 자기 감수성 측정에 대한 자세한 논의가 포함되었습니다. 여기에서는 이 백서에 설명된 프로토콜에 따라 얻을 수 있는 가장 대표적이고 상세한 결과를 제시합니다.

figure-results-1
그림 2: Li/CuTHQ 배터리의 전기화학적 성능 . (A) 50mA/g의 전류 밀도에서 Cu-THQ/CB/PVDF 전극(빨간색 선) 및 Cu-THQ/Gr/SP/SA(청록색 점선)의 첫 번째 방전/충전 곡선. 리튬 이.......

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Discussion

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음극을 생산하기 위해서는 전기화학 공정 동안 낮은 분극을 달성하기 위해 활물질을 전도성 탄소와 혼합해야 합니다. 탄소 첨가제는 현장 자력계의 첫 번째 임계점입니다. 탄소에 라디칼 결함이 있는 경우 ESR 스펙트럼에서 전기화학적으로 유도된 유기 라디칼의 출현을 관찰할 수 없습니다. 이것은 스핀 농도 또는 유기 라디칼 농도를 정확하게 결정하기 어렵게 만드는데, 이는 이들 두 유형의 라디칼이 유사한 g-값을 가지며, 이들의 ESR 라인이 겹칠 수 있기 때문이다. 또한 탄소에 소량의 강자성 불순물이 포함되어 있으면 고온 영역에서 자화율이 우세할 수 있습니다. 또한, 탄소 첨가제는 X-대역31에서 마이크로파 에너지를 흡수할 수 있으며, 이는 현장 ESR 분광법의 사용을 제한하고 라디칼 농도의 정량적 측정에 오류를 도입합니다. 즉, ESR 샘플의 실제 마이크로파 노출은 예상보다 낮습니다.

두 번째 임계점은 SQUID.......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 연구는 일본 과학 진흥회 (JSPS) KAKENHI Grant (JP20H05621)의 지원을 받았습니다. Z. Zhang은 또한 재정 지원을 위해 Tatematsu Foundation과 Toyota Riken 장학금에 감사드립니다.

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
1-메틸-2-피롤리돈후지필름 Wako Chemicals139-17611슈퍼 탈수
1mol/L LiBF4 EC:DEC (1:1 v/v%)KishidaLBG-96533전해질
4-Hydroxy-2,2,6,6-6-tetramethylpiperidine-1-oxylFUJIFILM Wako Chemicals089-04191TEMPOL, 스핀 라벨링용 
앰플 튜브Maruemu Corporation5-124-0520mL
카본 블랙, Super P 전도성Alfa AesarH30253
전도성 카본 블랙Mitsubishi Chemical
구리 (II) 질산염 삼수화물FUJIFILM Wako Chemicals033-12502유해 물질
디메틸 카보네이FUJIFILM Wako Chemicals046-31935배터리 등급
에틸렌 디아민후지 필름 Wako 화학053-00936유해 물질
그래 핀 나노 혈소판도쿄 화학 산업G04426-8nm (두께), 15 µ m(와이드)
폴리(비닐리덴 플루오라이드)Sigma Aldrich182702
Potassium BromideFUJIFILM Wako Chemicals165-17111적외선 분광광도계용
알긴산 나트륨 후지필름 Wako Chemicals199-09961500-600 cP
오징어 자력계Quantum DesignMPMS-XL 5
테트라하이드록시-1,4-벤조퀴논 수화물도쿄 화학 산업T1090
X-밴드 ESRJEOLJES-F A200
트

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lee, J., et al. Metal-organic framework materials as catalysts. Chemical Society Reviews. 38 (5), 1450-1459 (2009).
  2. Dolgopolova, E. A., Rice, A. M., Martin, C. R., Shustova, N. B. Photochemistry and photophysics of MOFs: steps towards MOF-based sensin....

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