Development and Electrochemical Studies of Nanostructured MnO 2 -based  Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries

Ababay, Ketema Worku

dc.contributor.author	Ababay, Ketema Worku
dc.date.accessioned	2022-11-08T08:10:22Z
dc.date.available	2022-11-08T08:10:22Z
dc.date.issued	2022-02
dc.identifier.uri	http://ir.bdu.edu.et/handle/123456789/14315
dc.description.abstract	ዋና ዋና ማጠቃለያ ዳግም ሊሞሉ የ ሚችሉ የ ዚንክ -ኤር ባትሪዎች ለወደፊት ለ ስማርት ግሪዶች እና ኤሌክትሪክ ተሸከርካሪዎች ከፍተኛ የ ንድፈ ሃሳብ ሃይል መጠጋጋት፣ ዝቅተኛ ዋጋ፣ ደህንነ ት እና ትልቅ የ ማከማቻ አቅም ስላላቸው የ ኃይል ማከማቻ ቴክኖሎጂዎች ተስፋ ሰጪ ናቸው። ነ ገ ር ግን ቀርፋፋ የ ኦክስጅን ሪዳካሽን ሪአክሽን ኪኔ ቲክስ የ ዚንክ -ኤር ባትሪ ቴክኖሎጂን በብቃት፣ በኃይል እና በጥንካሬነ ት አፈጻጸም ላይ በእጅጉ ይጎ ዳል። በቅርብ ጊዜ በካርቦን የ ሚደገ ፉ በ Pt-የ ተመሰረቱ በኦክስጂን ሪዳክሽን ኤሌክትሮክካታሊስቶች የ ግብረቶቹን መጠን ለመጨመር ጥቅም ላይ ውለዋል። ነ ገ ር ግን ከፍተኛ ወጪ፣ በቂ ያልሆነ መረጋጋት እና እጥረት ቴክኖሎጅዎቹ ተግባራዊ ሊሆኑ የ ማይችሉ ያደርጋቸዋል፣ በዋነ ኛነ ት ለትልቅ የ ንግድ ስራ። ስለዚህ የ ሽግግር ብረት አስተኔ መሰረት ያደረጉ ካታሊስቶች የ ከበሩ የ ብረት ካታሊስቶች ለመተካት ተዘጋጅተዋል። ከሽግግር ብረት ላይ የ ተመረኮዙ ኤሌክትሮክካታሊስቶች መካከል የ ማንጋኒ ዝ ዳይኦክሳይድ (MnO 2 ) ካታሊስቶች በአነ ስተኛ ዋጋ፣ በብዛት እና የ ኦክስጅን ሪዳካሽን ሪአክሽንን የ መፍጠር ችሎታ ስላላቸው ውድ ብረት ላይ የ ተመሰረቱ ኤሌክትሮዶች በአልካላይን ሁኔ ታዎች ውስጥ እጩ ሆነ ው ተገ ኝተዋል። ነ ገ ር ግን MnO2 -የ ተመሰረቱ ናኖ ፓርቲክሊስ ውስን የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴ፣ ዝቅተኛ የ ኤሌክትሮኒ ካዊ እንቅስቃሴ እና ትልቅ የ ጂኦሜትሪክ መጠን አሳይተዋል። በሌላ በኩል ሜታል -አዮን (Ni፣ Fe፣ Cu፣ Co፣ V፣ Mo፣ W፣ Ag፣ ወዘተ ) ወደ MnO2 መቀበል የ MnO2 ናኖ ፓርቲክሎዎችን አሠራር በተለያዩ ዘዴዎች ማሻሻል ይችላል ይህም MnO2 -የ ተመሰረቱ ናኖ ፓርቲክሊስ ቁሳቁሶችን ተስማሚ ያደርገ ዋል። ለ የ ዚንክ -ኤር ባትሪዎች እንደ ኤሌክትሮክካታሊስት ያገ ለግላሉ፡ ፡ ይህ ጥናት በ MnO2 ላይ የ ተመሰረቱ ናኖፓርቲክሎዎችን በተፈለገ ው ሞርፎሎጂ፣ መዋቅር እና የ ተሻሻለ የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴዎችን እንደ ካቶድ ቁሳቁሶች ለ የ ዚንክ -ኤር ባትሪዎች ማዘጋጀት ነ ው። የ ተቀናጁ ካታሊስትዎች የ ሚዘጋጁት በ ቀላል ፣ ወጪ ቆጣቢ ፣ ፈጣን ሂደት ፣ ለትላልቅ የ ኢንዱስትሪ አፕሊኬሽኖች ሊተገ በሩ ስለሚችሉ ፣ ለአካባቢ ተስማሚ እና ከፍተኛ ግፊት ወይም የ ሙቀት መጠን አያስፈልጋቸውም በመሳሰሉት ጥቅሞች ምክንያት ኮፕሪስፐቴሽን ዘዴ በመጠቀም ነ ው። ከዚህም በላይ የ ተሻለ የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴ ያላቸው ናሙናዎች አፈፃ ፀሙን የ በለጠ ለማወቅ በዚንክ -አየ ር ባትሪ ተጠቀመዋል። እንደተዘጋጁት ናሙናዎች በኤሌክትሮን ማይክሮስኮፕ ፣ ብሩኑዌር -ኤምሜት-ቴለር ፣ ፎሪየ ር ትራንስፎርም ኢንፍራሬድ ፣ ቴርሞ ግራቪሜትሪክ አናሊስስ፣ ኤክስሬይ፣ ኢንዳክቲቭ ኮፕልድ ፕላዝማ የ ጨረር ልቀት ስፔክትሮሜትሪ እና በዩ ቪ ቪዚቭል ታይተዋል። የ ኤሌክትሮኬሚካላዊ ባህሪያቱ በሳይክሊክ ቮልታሜትሪ፣ ሊኒ ያር ስዋይፕ ቮልታሜትሪ፣ ክሮኖፖቴንቲዮሜትሪ እና ኤሌክትሮኬሚካል ኢምፔዳንስ ስፔክትሮስኮፒ በመጠቀም ተሰርተዋል ፡ ፡ 3 ዲያሜንሽን አበባ የ ሚመስሉ MnO2 እና Fe-MnO2 ናኖፓርቲክሎዎችን የ ተዋሃዱት ኮፕሪስፕቴሽን ዘዴ Fe ዶፓንት ጋር ነ ው። የ ዶፒንግ በ ገ ጽታ ፣ የ ሙቀት ባህሪያቲን ፣ ክሪስታላይት መጠኖች፣ የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴ እና እንደተዘጋጁት ናኖፓርቲክሎዎችን ደረጃ ላይ ተጽዕኖ እንደሚያሳድር ያሳ ያል ። የ ካታሊስት 3 ዲያሜንሽን መዋቅር በኤሌክትሮካታሊቲክ ሂደት ውስጥ ለፈጣን የ ኤሌክትሮኒ ካዊ ትራንስፖርት ቀልጣፋ የ መምራት ኔ ትዎርክ ያቀርባል ፡፡ MnO2ን ደካማ ውስጣዊ ኮንዳክሽን በማካካስ እና ፈጣን የ ኤሌክትሮን ዝውውርን በማመቻቸት። ስለዚህም MnO2 እና 0.125 M Fe-MnO2 ኤሌክትሮዶች በ -0.22 ቮልት እና -0.201 ቮልት በ Ag/AgCl የ ኦክስጅን ሪዳክሽን ፒክ የ መጀመር አቅምን ከካቶዲክ ሪዳክሽን ፒክ -0.367 ቮልት እና -0.347 ቮልት በተመሳሳይ አሳይተዋል። በ Fe-MnO2 በ 0.1M KOH የ አልካላይን ሁኔ ታዎች ለበኦክስጂን ሪዳክሽን ሪአክሽን ያለው እጅግ xi በጣም ጥሩው የ ካታሊቲክ አፈጻጸም በከፍተኛ የ ገ ጽታ ስፋት፣ ባንዲጋፕ አነ ስተኛ ኃይል፣ የ ተሻሻለ የ ኤሌክትሮኒ ክስ ኮንዳክሽን፣ አነ ስተኛ ቅንጣቢ መጠን እና የ Fe እና Mn ውህደታዊ ተፅእኖ ናቸው። ስለዚህም Fe-MnO2 ለኤሌክትሮካታሊቲክ በኦክስጂን ሪዳክሽን ሪአክሽን ከፍተኛ የ ካታሊቲክ አፈጻጸም እና የ ተሻሻለ የ ሙቀት መረጋጋትን ያሳያል። ሞርፎሎጂካል ምህንድስና እንደ አንድ የ ካታሊቲክ አፈጻጸም ማሻሻያ ስልቶች ቀርቧል ይህም የ MnO2 ናኖፓርቲክሎዎችን የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴን በእጅጉ ይጎ ዳል። የ ኒ ኬል ዶፔድ MnO2 (Ni-MnO2 ) ንቁ ኤሌክትሮካታሊስት ተፈጥሯል፣ ይህም ትልቅ የ ተወሰነ የ ገ ጽታ ስፋት፣ ከፍተኛ የ ፖሮሲትነ ት እና ፈጣን የ ኃይል ማጓጓዣ ኪኔ ቲክስን ያሳያል። ማበረታቻው በኦክሲጅን ሪዳክሽን ፒክ በ -0.24 ቮልት እና -0.196 ቮልት በ Ag/AgCl በካቶዲክ ሪዳክሽን ፒክ -0.361 ቮልት እና -0.348 ቮልት በቅደም ተከተል በአልካላይን መፍትሄ ያሳያል :: የ ተሻሻለው የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴ ከፍተኛ ኤሌክትሮአክቲቭ የ ገ ጽታ ስፋት እና በኒ ኬል እና ማንጋኒ ዝ መካከል ያለው ጠንካራ ኬሚካላዊ ትስስር ምክንያት ሊሆን ይችላል። ከፍተኛ አፈጻጸም እና የ ተሻሻለ የ ሙቀት ንብረት ናኖ የ ተዋቀሩ Ni-ዶፔድ MnO2 ለኦክስጂን ሪዳክሽን ሪአክሽን ተስማሚ እና ተስፋ ሰጪ መሆናቸውን ይጠቁማሉ። የ MnO2 ናኖፓርቲክሎዎችን የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴ የ በለጠ ለማጎ ልበት፣ በጣም ውጤታማ ከሆኑ ስልቶች አንዱ ከፍ ያለ ስፋት እና በጥሩ ሁኔ ታ የ ተስተካከለ የ ተቦረቦረ አወቃቀሮችን በመፍጠር የ በለጠ ንቁ ቦታዎችን ማጋለጥ ነ ው። በመዳብ ዶፔድ MnO2 ካታሊስቶች ላይ ተጨማሪ ምርመራ እንደሚያሳየ ው የ Cu/Mn ሬሾን ማስተካከል እና መጫን የ አበረታች አፈጻጸምን በእጅጉ ሊጎ ዳ ይችላል። ስለዚህም MnO2 እና Cu-MnO2 ኤሌክትሮድ ኦክሲጅንን የ መቀነ ስ አቅምን በ -0.3 ቮልት እና -0.227 ቮልት በ Ag/AgCl ከካቶዲክ ሪዳክሽን ፒክ -0.462 ቮልትእና -0.349 ቮልት በተመሳሳይ መልኩ አሳይተዋል። የ Cu-MnO2 ካታሊስቶዎች ከፍተኛ እንቅስቃሴ እና እጅግ በጣም ጥሩ የ ሙቀት መረጋጋት በትንሽ ቅንጣት መጠን ፣ ከፍተኛ የ ገ ጽታ ስፋት ፣ ከፍተኛ የ ብረት መበታተን እና በ Cu እና Mn መካከል ያለው ውህደት ሊታወቅ እንደሚችል ታውቋል ። በ Cu፣ Fe፣ እና Ni ዶፒንግ MnO2 ኤሌክትሮክካታሊስቶች ውስጥ ያልተስተዋሉት በ Co3O4 እና MnO2 ቁሶች መካከል በተቀናጀ ተጽእኖ አማካኝነ ት የ ስብስብ መፈጠር በካታሊቲክ እንቅስቃሴ ውስጥ ከፍተኛ መሻሻል አሳይቷል። የ ሚገ ርመው፣ የ Co3O4 -MnO2 ውህድ ከተጠቃለለ መርፌ መሰል መዋቅር ጋር በተሳካ ሁኔ ታ ተዋህዶ እና እንደ ቀልጣፋ ኤሌክትሮካታሊስት ወደ የ ኦክስጅን ሪዳካሽን ሪአክሽን ተተግብሯል። ስለዚህም MnO2 እና Co3O4/MnO 2 ኤሌክትሮዶች በኦክስጂን ሪዳክሽን -0.297 ቮልት እና -0.189 ቮልት በ Ag/AgCl በካቶዲክ ቅነ ሳ ከፍተኛ -0.468 ቮልት እና -0.352 ቮልት በቅደም ተከተል አሳይተዋል :: በ Co3O4/MnO 2 /GCE ወለል ላይ ያለው የ ኦክስጂን ኤሌክትሮ-ሪዳክሽን ሂደት 3.7 ከፍ ያለ ስፋት 193.37 m 2 / g በ 1 M KOH መፍትሄ ላይ ተገ ኝቷል . የ Co3O4 መኖር የ ስብስብ ንፅፅርን በከፍተኛ ሁኔ ታ ይጨምራል። የ ተገ ኘው ስብጥር በአልካላይን ኤሌክትሮላይቶች ውስጥ የ ተሻሻለ የ ካታሊቲክ እንቅስቃሴንም አሳይቷል። በተጨማሪም የ Cu፣ Fe እና Ni ዶፒንግ MnO2 ኤሌክትሮ ካታሊስት, Ag-α-MnO2 ካታሊስቶዎች እና እንደ ካቶድ ቁሳቁሶች በ ዚንክ -አየ ር ባትሪ፤ ውስጥ መጠቀማቸው ሪፖርት ተደርጓል። እንደ -ተዘጋጀው የ MnO2 ኤሌክትሮድ ናሙና በ -0.25 ቮልት እና Ag/AgCl የ ኦክስጂን ቅነ ሳ የ መጀመር እድልን አሳይቷል በካቶዲክ ቅነ ሳ ከፍተኛ -0.33 ቮልት. በ Ag ከተጨመረ በኋላ የ ካቶዲክ ሪዳክሽን ከፍተኛ አቅም እና የ አግ -MnO2 እምቅ የ መጀመር እድል አሳይቷል። -7.5/GCE በከፍተኛ ሁኔ ታ አዎንታዊ በሆነ መልኩ ወደ -0.29 ቮልት እና -0.17 xii ቮልት ተቀይሯል፣ በ 50 mV/s የ ፍተሻ ፍጥነ ት የ የ ኦክስጅን ሪዳካሽን ሪአክሽን እንቅስቃሴ መሻሻል ያሳያል። ስለዚህ የ በለፀገ ሃይድሮክሳይል ቡድን እና ሲነ ርጂስቲክ ተፅእኖ መኖሩ የ በለጠ ውጤታማ ንቁ ጥቅሶችን ይሰጣል እና ለኦአርአር ሂደት ፈጣን የ ኤሌክትሮን ማስተላለፊያ መንገ ድን ያመቻቻል። የ ሚገ ርመው፣ Ag ዶፕድ α-MnO2 ናኖፓርቲክሎዎችን የ ተወሰነ አቅምን ∼390 F g-1 በ 100 mV s -1 የ ፍተሻ መጠን ያሳያል። በ α-MnO2 ካታሊስት ላይ የ ተመሰረተ በቤት ውስጥ የ ሚሰራ የ ዚንክ -ኤር ባትሪዎች 750 mA h g -1 በተዛማጅ የ ኢነ ርጂ ጥግግት ~ 825 Wh kg -1 አቅርቧል ፣ Ag-MnO2 -7.5 ካታሊስት ደግሞ 795 mA h g -1 ተመጣጣኝ አቅም አሳይቷል። ከፍተኛ የ ኃይል ጥግግት ~ 875 Wh kg -1 በ 1 mA -2 cm የ መፍሰሻ ሁኔ ታዎች ይህ ሥራ የ የ ኦክስጅን ሪዳካሽን ሪአክሽን ኤሌክትሮካታላይዝስን ለማሻሻል በ Ag እና α-MnO2 መካከል ያለውን የ ጠንካራ በይነ ገ ጽ ትስስር አስፈላጊነ ት ይመረምራል፣ ይህም ቀልጣፋ ከካርቦን -ነጻ ሽግግር ብረት ዶፔድ ኤሌክትሮካታሊስቶች ምክንያታዊ ንድፍ የ በለጠ ስራን ያነ ሳሳል። ቁልፍ ቃላት: ዚንክ -አየ ር ባትሪ ፣ ማንጋኒ ዝ ዳይኦክሳይድ፣ ሜታል ዶፒግ ፣ የ ኦክስጅን ሪዳካሽን ሪአክሽን ፣ ኮፕሪስፕቴሽን፣ ኤሌክትሮ ካታሊስት	en_US
dc.language.iso	en_US	en_US
dc.subject	ENERGY CENTER	en_US
dc.title	Development and Electrochemical Studies of Nanostructured MnO 2 -based Electrocatalysts for Rechargeable Zinc-Air Batteries	en_US
dc.type	Thesis	en_US