Primena elektrodnih materijala na bazi polipirola u konverziji i akumulaciji električne energije

Abstract

Problematika ove doktorske disertacije izložena je u dve tematske celine. Prva je posvećena razmatranju elektrode na bazi elektrohemijski formiranog plipirola (PPY) kao elektrodnog materijala u konverziji energije, dok se druga celina odnosi na razmatranje elektrohemijski formirane elektrode na bazi PPY kao katodnog i anodnog materijala za primenu u akumulaciji električne energije na bazi vodenih rastvora elektrolita. Elektroda na bazi PPY formirana je anodnom oksidativnom polimerizacijom pirola na elektrodi od staklastog ugljenika u uslovima konstantne gustine struje (galvanostatski). Za potrebe razmatranja fotoelektrohemijskog ponašanja elektrode na bazi PPY, elektrohemijska sinteza je sprovedena u vodenom rastvoru elektrolita koji je sadržavao pored pirola natrijum-nitrat i azotnu kiselinu. Polimerizacija je ostvarena anodnom gustinom struje od j = 1,0 mA cm-2 u trajanju od 3 h. Za razmatranje PPY kao elektrodnog materijala u akumulaciji električne energije, elektrode na bazi PPY dobijene su iz vodenog rastvora 1,0 mol dm-3 HCl hlorovodonične kisline kada su razmatrane kao katode u sistemu ZnPPY, dok je za razmatranje u sistemima PPYPbO2, odnosno PbSO4PPY korišćen vodeni elektrolit 1,0 mol dm-3 H2SO4. Elektrohemijsaka polimerizacija je ostvarena u galvnostatskim uslovima, gustinom struje od 2 mA cm–2 u trajanju od 1 h i 0,3 h za sisteme PPYPbO2 i PbSO4PPY respektivno. Za potrebe fotoelektrohemijskih eksperimentata formirane su elektrode na bazi bakar-sulfida, i PPY modofikovane bakar-sulfidom, korišćenjem postupka naizmenične jonske adsorpcije i reakcije (SILAR). Kao rastvor katjonskog prekursora korišćen je vodeni rastvor 0,050 mol dm-3 bakar(II) - nitrata, dok je za formiranje sulfida korišćen rastvor 0,10 mol dm-3 natrijum - sulfida. Ispitana su fotoelektrohemijska svojstva elektrode od PPY, bakar-sulfida i PPY modifikovane bakar-sulfidom, u potenciostatskim uslovima u anodnoj i katdnoj oblsti, u mraku i pri osvetljenju, u vodenom elektrolitu sastava 0,5 mol dm-3 NaNO3 i 0,2 mol dm-3 tiouree i 0,025 mol dm-3 Na2S. Ispitivane su elektrohemijske i električne karakteristike sistema ZnPPY, PPYPbO2 i PbSO4PPY. Utvrđeno je da ZnPPY ćelija sa vodenim rastvorom elektrolita sastava 2,0 mol dm-3 NH4Cl i 1,1 mol dm-3 ZnCl2, ima prosečan napon pražnjenja od 0,85 V i specifični kapacitet pražnjenja od 52 mAh g-1. PPYPbO2 ćelija sa vodenim rastvorom elektrolita sastava 1,0 mol dm-3 H2SO4 i 0,5 mol dm-3 (NH4)2SO4 ima prosečni napon pražnjenja od 0,9 V i specifični kapacitet pražnjenja od 88 mAh g-1. Prosečan napon pražnjenja za PbSO4PPY ćeliju iznosio je 0,65 V, a specifični kapacitet pražnjenja 50 mAh g-1. Specifična energija pražnjenja do radnog potencijala od 0,5 V, efikasnost iskorišćenja energije i specifična snaga su pocenjenje na 45 mWh g-1 (56%), 326 mW g-1 za Zn|PPY ćeliju; 76 mWh g-1 (45%), 584 za PPY|PbO2 ćeliju 37 mWh g-1 (51%), 574 mWh g-1 za PbSO4|PPY ćeliju. Na osnovu ovih vrednosti pomenute ćelije su svrstane u tzv. superkapabaterije.

The problematics of this dissertation is dedicated to application of electrochemically formed polypyrrole as electrode material in conversion of electrical energy and cathodic and anodic material in systems for accumulation of electrical energy with aqueous electrolytes. In both cases PPY electrode was form by electrochemical anodic polymerization of pyrrole monomer on glassy carbon electrode at constant current (galvanostatially). Depending on the further application, different composition of electrolytes was used, for PPY used in photoelectrochemical investigations, nitrate based electrolyte was used, while chloride based and sulfate based electrolytes were used for application of PPY as electrode material in electrochemical cells: ZnPPY and PPYPbO2, PbSO4PPY respectively. Coper-sulfate electrode and coper-sulfate modified PPY electrode were formed by SILAR process on glassy carbon and PPY electrochemically formed on glassy carbon electrode. Cationic precursor solution was 0.050 mol dm-3 copper (II) – nitrate, and 0.10 mol dm-3 sodium sulfide as a solution of anionic precursor. Photo electrochemical behavior of these electrodes was investigated at constant anodic and cathodic potentials in dark and under illumination in water electrolyte consisted of 0.5 mol dm-3 NaNO3, 0.2 mol dm-3 tiourea and 0.025 mol dm-3 Na2S. Electrochemical and electrical characteristics of the cells based on PPY based electrode comined zinc, lead oxide and lead sulfate electrodes in aqouous based electrolyte were determined. Zn|PPY cell in which PPY based electrode served as cathode and zinc electrode as anode with electrolyte composed of 2.0 mol dm-3 NH4Cl and 1.1 mol dm-3, exibited the open circuit voltage of 1.3 V, average discharge voltage of 0.85 V and specific discharge capacity of 52 mAh g-1. PPY|PbO2 cell in which PPY based electrode whas anode and PbO2 as chatode with electrolyte composed of 1.0 mol dm-3 H2SO4 and 0.5 M (NH4)2SO4 had the open circuit voltage of 1.5 V, average discharge voltage of 0.9 V, and specific discharge capacity of 88 mAh g-1. PbSO4|PPY cell with PPY cathode and lead sulfate anode with the same sulfateelectrolyte had the open circuit voltage of 1.1 V, average discharge voltage of 0.65 V and specific discharge capacity of 50 mAh g-1. The specific discharge energy to the useful discharge potentials of ~ 0.5 V, charge-discharge energy efficiency, as well as specific power, were estimated to 45 mWh g-1 (56%), 326 mW g-1 for Zn|PPy cell; 76 mWh g-1 (45%), 584 for PPY|PbO2 cell, and 37 mWh g-1 (51%), 574 mWh g-1 for PbSO4|PPY cell. Based on estimated specific energy and power, the investigated cells were classified as “supercapattery” type of electrochemical power sources.