RU2762313C1 - Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof - Google Patents

Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2762313C1
RU2762313C1 RU2020132232A RU2020132232A RU2762313C1 RU 2762313 C1 RU2762313 C1 RU 2762313C1 RU 2020132232 A RU2020132232 A RU 2020132232A RU 2020132232 A RU2020132232 A RU 2020132232A RU 2762313 C1 RU2762313 C1 RU 2762313C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrode
oxide
solution
permanganate
birnessite
Prior art date
Application number
RU2020132232A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталья Андреевна Архарова
Сергей Яковлевич Истомин
Эдуард Евгеньевич ЛЕВИН
Антон Сергеевич ОРЕХОВ
Денис Евгеньевич Преснов
Леонид Витальевич ПУГОЛОВКИН
Галина Александровна Цирлина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова» (МГУ)
Priority to RU2020132232A priority Critical patent/RU2762313C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2762313C1 publication Critical patent/RU2762313C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/04Processes of manufacture in general
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

FIELD: electrodes.
SUBSTANCE: invention relates to the technology of electrochemical production, namely, to development of a method for producing electrode materials from manganese oxide with a birnessite or vernadite structure for use in supercapacitors, electrochromic apparatuses, batteries, accumulators, fuel elements. The method for producing electrode materials from oxide with birnessite or vernadite structures by means of cathodic reduction of permanganate or manganate in an alkaline medium consists in conducting cathodic polarisation of a conductive substrate in solutions of alkali metal hydroxides with permanganate additives. Deposition is realised in potentiostatic conditions in a three-electrode electrochemical cell.
EFFECT: high mechanical and adhesive stability in operation in apparatuses with an alkaline electrolyte, stability and quickness of cycling, ease of production and high capacity.
11 cl, 4 dwg, 12 ex, 1 tbl

Description

Область техникиTechnology area

Изобретение относится к технологии электрохимических производств, а именно к разработке способа получения электродных материалов из оксида марганца со структурой бирнессита или вернадита путем катодного восстановления перманганата или манганата в водной щелочной среде для использования в суперконденсаторах, электрохромных устройствах, батарейках, аккумуляторах, топливных элементах.The invention relates to the technology of electrochemical production, namely to the development of a method for producing electrode materials from manganese oxide with the structure of birnessite or vernadite by cathodic reduction of permanganate or manganate in an aqueous alkaline medium for use in supercapacitors, electrochromic devices, batteries, accumulators, fuel cells.

Уровень техникиState of the art

Электрохимическая энергетика в настоящее время активно развивается как в части автономного энергоснабжения (электромобили, летательные аппараты, водный транспорт и т.п.), так и в качестве важного элемента энергетических систем (накопление энергии, регулирование нагрузок в электросетях). Основное направление дальнейшего повышения эффективности электрохимического хранения и преобразования энергии - создание электродных материалов, преимущества которых перед используемыми аналогами состоят в улучшенных функциональных характеристиках (более высокая емкость, более высокая каталитическая активность, более низкое сопротивление), и/или в более низкой стоимости, и/или в более высокой стабильности.Electrochemical power engineering is currently actively developing both in terms of autonomous power supply (electric vehicles, aircraft, water transport, etc.), and as an important element of energy systems (energy storage, load regulation in power grids). The main direction for further increasing the efficiency of electrochemical storage and conversion of energy is the creation of electrode materials, the advantages of which over the used analogs are in improved functional characteristics (higher capacity, higher catalytic activity, lower resistance), and / or lower cost, and / or higher stability.

Вопрос о стабильности непосредственно связан с экономическими аспектами конструирования электрохимических устройств, т.к. более высокая стабильность позволяет увеличить сроки эксплуатации и реже осуществлять замену электродного материала. Наилучшей гарантией высокой стабильности твердого электродного материала является его термодинамическая устойчивость в растворе электролита при потенциалах, при которых функционирует электрод. Металлы, за исключением благородных, никогда не удовлетворяют условию термодинамической стабильности. Отказ от благородных металлов стимулируется задачей снижения стоимости устройств. В этой связи актуален поиск устойчивых оксидов неблагородных металлов. Для этой группы электродных материалов наиболее жестким ограничением оказывается достаточная электронная проводимость.The question of stability is directly related to the economic aspects of designing electrochemical devices, since higher stability allows longer service life and less frequent replacement of electrode material. The best guarantee of high stability of a solid electrode material is its thermodynamic stability in an electrolyte solution at the potentials at which the electrode functions. Metals, with the exception of noble ones, never satisfy the condition of thermodynamic stability. The abandonment of precious metals is stimulated by the goal of reducing the cost of devices. In this regard, the search for stable oxides of base metals is urgent. For this group of electrode materials, the most severe limitation is sufficient electronic conductivity.

Оксиды марганца занимают особое место среди оксидных электродных материалов именно из-за высокой проводимости, необходимой для снижения омических потерь в электрохимических устройствах. Оксиды марганца - общее название большой группы материалов с разными кристаллическими структурами и разными соотношениями Mn:O. В ряде случаев они содержат также однозарядные катионы А (ионы щелочных металлов или протоны). Состав оксидов марганца в общем виде может быть представлен как AxMnO2. Как и большинство других оксидов неблагородных металлов, оксиды марганца могут функционировать только в устройствах с щелочными или гораздо реже востребованными нейтральными электролитами. Термодинамически устойчивыми модификациями оксида марганца в щелочной среде являются бирнессит и вернадит - слоистые фазы, в которых А - катионы натрия или калия, х составляет 0.01-0.45 что соответствует степеням окисления марганца 3.99-3.55.Manganese oxides occupy a special place among oxide electrode materials precisely because of the high conductivity required to reduce ohmic losses in electrochemical devices. Manganese oxides are the general name for a large group of materials with different crystal structures and different Mn: O ratios. In some cases, they also contain singly charged A cations (alkali metal ions or protons). The composition of manganese oxides can generally be represented as A x MnO 2 . Like most other base metal oxides, manganese oxides can only function in devices with alkaline or much less commonly used neutral electrolytes. Birnessite and vernadite are thermodynamically stable modifications of manganese oxide in an alkaline medium - layered phases in which A are sodium or potassium cations, x is 0.01-0.45, which corresponds to the oxidation states of manganese 3.99-3.55.

Наиболее широко распространен в коммерческих батареях и аккумуляторах с щелочным электролитом электролитический диоксид марганца (ЭДМ), получаемый из солей двухвалентного марганца путем процесса анодного окисления по детально развитой промышленной технологии [Avijit Biswal, Bankim Chandra Tripathy, Kali Sanjay, Tondepu Subbaiah and Manickam Minakshi, "Electrolytic manganese dioxide (EMD): a perspective on worldwide production, reserves and its role in electrochemistry", RSC Advances, 2015, v. 5, No 58255]. Мы не рассматриваем ЭДМ как аналог потому, что он не содержит устойчивых в щелочном растворе бирнессита или вернадита, и в ходе функционирования в щелочных устройствах постепенно трансформируется. Причиной является то, что ЭДМ формируется в кислых растворах, его состав близок к MnO2, а преобладающей кристаллической фазой является gamma-MnO2. Осуществить процесс осаждения ЭДМ в щелочной среде невозможно потому, что его предшественники, соединения двухвалентного марганца, нерастворимы в щелочной среде. В тоже время, функциональные характеристики ЭДМ являются «реперными» для любых оксидов, применяемых в заряд-аккумулирующих устройствах.The most widely used in commercial batteries and accumulators with an alkaline electrolyte is electrolytic manganese dioxide (EDM), obtained from divalent manganese salts by an anodic oxidation process using a detailed industrial technology [Avijit Biswal, Bankim Chandra Tripathy, Kali Sanjay, Tondepu Subbaiah and Manickam Minakshi, " Electrolytic manganese dioxide (EMD): a perspective on worldwide production, reserves and its role in electrochemistry ", RSC Advances, 2015, v. 5, no.58255]. We do not consider EDM as an analogue because it does not contain birnessite or vernadite that are stable in an alkaline solution, and gradually transforms during operation in alkaline devices. The reason is that EDM is formed in acidic solutions, its composition is close to MnO 2 , and the predominant crystalline phase is gamma-MnO 2 . It is impossible to carry out the process of precipitation of EDM in an alkaline medium because its precursors, divalent manganese compounds, are insoluble in an alkaline medium. At the same time, the functional characteristics of EDM are "reference" for any oxides used in charge-storage devices.

Можно выделить две технологии получения бирнессита или вернадита.There are two technologies for producing birnessite or vernadite.

Из уровня техники известны электродные материалы со структурой бирнессита или вернадита, получаемые путем химических реакций восстановления [CN 105502504] или окисления [US 20180134576]. Однако эти материалы получаются в форме порошков, и для изготовления из них электродов требуются дополнительные технологические стадии: создание композиции с каким-либо связующим веществом, суспендирование такой помпозиции, нанесение полученной суспензии на подложку, сушка. Наряду с технологической сложностью возникает также риск низкой адгезии к подложке, т.к. отстствует прочное связывание частиц порошка с подложкой.From the prior art, electrode materials with a birnessite or vernadite structure are known, obtained by chemical reduction reactions [CN 105502504] or oxidation [US 20180134576]. However, these materials are obtained in the form of powders, and for the manufacture of electrodes from them additional technological steps are required: creating a composition with some binder, suspending such a pomp, applying the resulting suspension to a substrate, and drying. Along with the technological complexity, there is also the risk of low adhesion to the substrate, because lagging behind is the strong binding of the powder particles to the substrate.

Из уровня техники известны электродные материалы со структурой бирнессита или вернадита, получаемые путем катодного восстановления перманганата или манганата в нейтральной среде [Т. Tanimoto, Н. Abe, K. Tomono, М. Nakayama, Cathodic Synthesis of Birnessite Films for Pseudocapacitor Application, ECS Trans. 50 (2013) 61-70. doi: 10.1149/05043.0061ecst; R. Delia Noce,

Figure 00000001
, T.M. Silva, M.J. Carmezim, M.F. Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039/c7ra04481j; S. Zhu, W. Huo, X. Liu, Y. Zhang, Birnessite based nanostructures for supercapacitors: challenges, strategies and prospects, Nanoscale Adv. 2 (2020) 37-54. doi: 10.1039/c9na00547a] или при концентрации щелочи на два порядка ниже, чем в рабочих растворах устройств (рН 12) [Н. Yuqiu, Z. Hongcheng, Cathodic Potentiostatic Electrodeposition and Capacitance Characterization of Manganese Dioxide Film, in: 2010 International Conference on Nanotechnology and Biosensors IPCBEE, Vol. 2, IACSIT Press, Singapore, 2011, pp. 130-133]. Однако при переносе в раствор с более высокой концентрацией щелочи (рН > 14, высокие концентрации щелочи необходимы для обеспечения достаточной электропроводности раствора) эти материалы неизбежно претерпевают структурные трансформации, связанные с изменением их катионного состава. Такие трансформации следует рассматривать как деградационный риск. Кроме того, в разработках не уделяется внимания равномерности нанесения оксида на подложку, т.к. осаждение проводится в ячейках, не обеспечивающих равномерного распределения линий тока.From the prior art, electrode materials with a birnessite or vernadite structure are known, obtained by cathodic reduction of permanganate or manganate in a neutral environment [T. Tanimoto, H. Abe, K. Tomono, M. Nakayama, Cathodic Synthesis of Birnessite Films for Pseudocapacitor Application, ECS Trans. 50 (2013) 61-70. doi: 10.1149 / 05043.0061ecst; R. Delia Noce,
Figure 00000001
, TM Silva, MJ Carmezim, MF Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO 2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039 / c7ra04481j; S. Zhu, W. Huo, X. Liu, Y. Zhang, Birnessite based nanostructures for supercapacitors: challenges, strategies and prospects, Nanoscale Adv. 2 (2020) 37-54. doi: 10.1039 / c9na00547a] or at an alkali concentration two orders of magnitude lower than in working solutions of devices (pH 12) [N. Yuqiu, Z. Hongcheng, Cathodic Potentiostatic Electrodeposition and Capacitance Characterization of Manganese Dioxide Film, in: 2010 International Conference on Nanotechnology and Biosensors IPCBEE, Vol. 2, IACSIT Press, Singapore, 2011, pp. 130-133]. However, when transferred to a solution with a higher alkali concentration (pH> 14, high alkali concentrations are necessary to ensure sufficient electrical conductivity of the solution), these materials inevitably undergo structural transformations associated with a change in their cationic composition. Such transformations should be considered as a degradation risk. In addition, the development does not pay attention to the uniformity of the oxide deposition on the substrate, because deposition is carried out in cells that do not provide a uniform distribution of streamlines.

Известен электродный материал со структурой бирнессита или вернадита, получаемый путем катодного восстановления перманганата или манганата в нейтральной среде (R. Delia Noce,

Figure 00000001
, T.M. Silva, M.J. Carmezim, M.F. Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039/c7ra04481j). Способ заключается в осаждении перманганата или манганата на нержавеющую сталь AISI 304 из нетрального (рН 7) раствора 10 мМ KMnO4 с добавкой 0.1 М Na2SO4 в малоконтролируемых гальваностатических режимах (без контроля потенциала). Выходы по току составляли от 20 до 96%. Однако, бирнессит был рентгенографически идентифицирован только при не слишком высоких плотностях тока, при этом достигались емкости 170-250 Ф/г при медленном перезаряжении и 75-150 Ф/г при быстром перезаряжении. Данных по изменению емкости при циклировании для рентгенографически идентифицированных образцов не приводится.Known electrode material with the structure of birnessite or vernadite, obtained by cathodic reduction of permanganate or manganate in a neutral environment (R. Delia Noce,
Figure 00000001
, TM Silva, MJ Carmezim, MF Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO 2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039 / c7ra04481j). The method consists in the deposition of permanganate or manganate on stainless steel AISI 304 from a neutral (pH 7) solution of 10 mM KMnO 4 with the addition of 0.1 M Na 2 SO 4 in poorly controlled galvanostatic modes (without potential control). The current efficiency ranged from 20 to 96%. However, birnessite was identified by X-ray only at not too high current densities, while capacities of 170-250 F / g were achieved at slow recharge and 75-150 F / g at fast recharge. Data on the change in capacity during cycling for X-ray identified samples are not provided.

Технология получения электродных материалов путем катодного восстановления перманганата или манганата на подложке обеспечивает получение материала в одну стадию, в которой рост оксида со слоистой структурой (бирнессита или вернадита) происходит из кристаллических зародышей, прочно связанных с поверхностью подложки. Образующийся материал не претерпевает в дальнейшем структурных превращений при функционировании в щелочных растворах, т.к., в отличие от аналогов, формируется непосредственно в щелочной среде. Таким образом снижаются деградационные риски, связанные с механическим разрушением слоя материала. В то же время, функциональные характеристики остаются сравнимыми с типичными для материалов на основе оксидов марганца, получаемых другими путями, либо превосходят таковые.The technology for producing electrode materials by cathodic reduction of permanganate or manganate on a substrate provides a material in one stage, in which the growth of an oxide with a layered structure (birnessite or vernadite) occurs from crystalline nuclei firmly bound to the substrate surface. The resulting material does not undergo further structural transformations when operating in alkaline solutions, since, unlike analogs, it is formed directly in an alkaline medium. Thus, degradation risks associated with mechanical destruction of the material layer are reduced. At the same time, the functional characteristics remain comparable or superior to those typical for materials based on manganese oxides obtained in other ways.

Наиболее близким к заявляемому является электродный материал со структурой бирнессита или вернадита, полученный потенциостатическим осаждением из перманганата или манганата на платиновую фольгу из нейтральных (рН 6.5) растворов 2 мМ KMnO4 с добавками 0 0.5 М различных хлоридных солей. Потенциалы осаждения составляли от -0.1 до +0.25 В в шкале хлорсеребряного электрода. Выход по току составлял 94%. Достигались емкости до 320 Ф/г при медленном (1 мВ/с) перезаряжении, при переходе к более быстрому заряжению (200 мВ/с) емкости снижались до 200 Ф/г. Снижение емкости за 1000 циклов составляло около 15%. Однако приведенные характеристики являются не слишком высокими с точки зрения конкурентоспособности конденсаторов с электродами из бирнессита с обычными углеродными суперконденсаторами, в первую очередь по потере емкости при увеличении скорости перезаряжения и при циклировании. Кроме того, все данные по емкости получены в нейтральных растворах, которые (в отличие от щелочных растворов) не обеспечивают стабильной работы электрохимических устройств из-за нестабильности величины рН в приэлектродном слое. При переносе в щелочной раствор пленки, полученные из нейтральных растворов, растрескиваются.The closest to the claimed material is an electrode material with the structure of birnessite or vernadite, obtained by potentiostatic deposition from permanganate or manganate on platinum foil from neutral (pH 6.5) solutions of 2 mM KMnO 4 with the addition of 0 0.5 M of various chloride salts. The deposition potentials were from -0.1 to +0.25 V on the silver chloride electrode scale. The current efficiency was 94%. Capacities of up to 320 F / g were achieved with a slow (1 mV / s) recharge, with the transition to faster charging (200 mV / s) the capacities decreased to 200 F / g. The reduction in capacity over 1000 cycles was about 15%. However, the above characteristics are not too high from the point of view of the competitiveness of capacitors with birnessite electrodes with conventional carbon supercapacitors, primarily in terms of the loss of capacity with an increase in the recharge rate and during cycling. In addition, all data on capacity were obtained in neutral solutions, which (unlike alkaline solutions) do not provide stable operation of electrochemical devices due to the instability of the pH value in the near-electrode layer. When transferred to an alkaline solution, films obtained from neutral solutions crack.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение электродного материала со структурой бирнессита или вернадита непосредственно в такой же среде, в которой затем материал используется как функциональный.The technical problem to be solved by the claimed invention is to obtain an electrode material with a birnessite or vernadite structure directly in the same environment, in which the material is then used as a functional one.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание перезаряжаемого электродного материала для конденсаторов, отличающегося высокой механической и адгезионной стабильностью при функционировании в устройствах с щелочным электролитом. Заявляемый электродный материал также характеризуется стабильностью и быстротой циклирования, простотой получения и высокой емкостью (до 500 Ф/г). Осадок, прочно связанный с поверхностью подложки, не изменяет массу в пределах достижимой точности ее определения после 1000 полных циклов. По данным электронной микроскопии, в том числе микроскопии на поперечных срезах и сколах, а также по данным дифракции осадок характеризуется равномерностью по толщине и составу, что достигается равномерностью распределения потенциала и линий тока вдоль поверхности при осаждении. Потери емкости после 1000 полных циклов не превышают 10%. Снижение емкости при сокращении времени перезаряжения от некольких минут до нескольких секунд не превышает 20%.The technical result of the claimed invention is the creation of a rechargeable electrode material for capacitors, characterized by high mechanical and adhesive stability when operating in devices with an alkaline electrolyte. The inventive electrode material is also characterized by stability and speed of cycling, ease of production and high capacity (up to 500 F / g). The sediment, firmly bound to the surface of the substrate, does not change the mass within the achievable accuracy of its determination after 1000 complete cycles. According to electron microscopy data, including microscopy on cross sections and chips, as well as according to diffraction data, the deposit is characterized by uniformity in thickness and composition, which is achieved by the uniform distribution of potential and streamlines along the surface during deposition. The loss of capacity after 1000 full cycles does not exceed 10%. The decrease in capacity while reducing the recharge time from a few minutes to a few seconds does not exceed 20%.

Технический результат достигается электродным материалом из оксида марганца с кристаллической структурой бирнессита или вернадита для изготовления электродов для электрохимических устройств с водным щелочным электролитом, характеризующийся равномерной микроструктурой с загрузкой оксида до 1.6 мг на см2 и емкостью до 500 Ф/г, предпочтительно от 200 до 500 Ф/г. При скорости перезаряжения материала при 200 мВ/с емкость уменьшается не более чем на 20%., предпочтительно не более чем на 15%. Проводящая подложка выполнена из углерода, никеля или стали.The technical result is achieved by an electrode material made of manganese oxide with a crystal structure of birnessite or vernadite for the manufacture of electrodes for electrochemical devices with an aqueous alkaline electrolyte, characterized by a uniform microstructure with an oxide loading of up to 1.6 mg per cm 2 and a capacity of up to 500 F / g, preferably from 200 to 500 F / g. At a material recharge rate of 200 mV / s, the capacity is reduced by no more than 20%, preferably no more than 15%. The conductive substrate is made of carbon, nickel, or steel.

Технический результат также достигается способом получения электродного материала из оксида марганца с кристаллической структурой бирнессита или вернадита, включающий приготовление раствора (электролитическая среда, электролит) посредством смешения водного щелочного раствора и водного раствора перманганата. Полученный раствор помещают в трехэлектродную электрохимическую ячейку, включающую рабочий электрод, в качестве которого используют проводящую подложку для осаждения электродного материла, вспомогательный электрод и оксидно-ртутный электрод сравнения. Полученный раствор деаэрируют током аргона в течение времени, необходимого для удаления кислорода, затем задают потенциал рабочего электрода от -0.05 до -0.25 В по оксидно-ртутному электроду в растворе щелочи той же концентрации, осаждение проводят до достижения удельных пропущенных зарядов 0.039 4 Кл/см2 в расчете на геометрическую поверхность подложки, далее подложку с электродным материалом многократно промывают для удаления загрязнения и непрореагировавших остатков солей марганца. В качестве проводящей подложки используют подложку из углерода, никеля или стали. Для приготовления щелочного раствора используют KOH или NaOH или LiOH, при этом концентрация щелочи в растворе составляет от 1 до 5 моль/л. В качестве перманганата используют перманганат калия KMnO4, или перманганат натрия NaMnO4, при этом концентрация перманганата в растворе составляет от 1 до 20 ммоль/л. Для промывания оксида на подложке используют фоновый щелочной электролит, взятый в объеме не менее, чем в 100 раз превышающий объем полученного осажденного слоя. Предварительно перед размещением в ячейку проводящую подложку подвергают окислительной химической обработке. Время для деаэрирования током аргона составляет не менее 30 мин, предпочтительно от 30 до 90 мин.The technical result is also achieved by a method of producing an electrode material from manganese oxide with a crystal structure of birnessite or vernadite, including preparing a solution (electrolytic medium, electrolyte) by mixing an aqueous alkaline solution and an aqueous solution of permanganate. The resulting solution is placed in a three-electrode electrochemical cell, including a working electrode, which is used as a conductive substrate for the deposition of electrode material, an auxiliary electrode and an oxide-mercury reference electrode. The resulting solution is deaerated with an argon current for the time required to remove oxygen, then the potential of the working electrode is set from -0.05 to -0.25 V by the oxide-mercury electrode in an alkali solution of the same concentration, deposition is carried out until the specific missed charges are reached 0.039 4 C / cm 2 based on the geometric surface of the substrate, then the substrate with the electrode material is repeatedly washed to remove contamination and unreacted residues of manganese salts. The conductive substrate is a carbon, nickel, or steel substrate. To prepare an alkaline solution, use KOH or NaOH or LiOH, while the concentration of alkali in the solution is from 1 to 5 mol / L. Potassium permanganate KMnO 4 or sodium permanganate NaMnO 4 is used as permanganate, while the concentration of permanganate in the solution is from 1 to 20 mmol / L. To wash the oxide on the substrate, a background alkaline electrolyte is used, taken in a volume not less than 100 times the volume of the obtained deposited layer. Prior to placement in the cell, the conductive substrate is subjected to an oxidative chemical treatment. The time for deaeration with argon flow is at least 30 minutes, preferably from 30 to 90 minutes.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На фиг. 1 представлена конструкция электрохимической ячейки для катодного осаждения, где 1 основание, 2 держатель рабочего электрода, 3 стопор рабочего электрода, 4 ножка, 5 основание ножки, 6 водяная камера, 7 крышка водяной камеры, 8 - камера рабочего электрода, 9 - держатель вспомогательного электрода.FIG. 1 shows the design of an electrochemical cell for cathodic deposition, where 1 base, 2 working electrode holder, 3 working electrode stopper, 4 leg, 5 leg base, 6 water chamber, 7 water chamber cover, 8 - working electrode chamber, 9 - auxiliary electrode holder ...

На фиг. 2 представлены рентгенограммы оксидов, полученных при потенциалах осаждения -0.25 и -0.05 В. Cu Kalfa-излучение.FIG. 2 shows the X-ray diffraction patterns of oxides obtained at deposition potentials -0.25 and -0.05 V. Cu Kalfa radiation.

На фиг. 3 сопоставлены электронно-микроскопические изображения осадков, полученных из нейтрального раствора перманганата в [R. Delia Noce,

Figure 00000001
, T.M. Silva, M.J. Carmezim, M.F. Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039/c7ra04481j] (1) и полученных в рамках настоящего изобретения из щелочного раствора перманганата при при потенциалах осаждения -0.25 и -0.05 В (2), где (а) - при потенциале осаждения -0.25 В, (b) - при потенциале осаждения -0.05 В.FIG. 3 compares electron microscopic images of sediments obtained from a neutral solution of permanganate in [R. Delia Noce,
Figure 00000001
, TM Silva, MJ Carmezim, MF Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO 2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039 / c7ra04481j] (1) and obtained within the framework of the present invention from an alkaline solution of permanganate at a deposition potential of -0.25 and -0.05 V (2), where (a) - at a deposition potential of -0.25 V, (b) - at deposition potential -0.05 V.

На фиг. 4 представлены графики удельной емкости в зависимости от скорости развертки для бирнессита, катодно осажденного из нейтрального раствора 0.5М Na2SO4 (в), из работы [Т. Tanimoto, Н. Abe, K. Tomono, М. Nakayama, Cathodic Synthesis of Birnessite Films for Pseudocapacitor Application, ECS Trans. 50 (2013) 61-70] и удельной емкости в зависимости от скорости развертки потенциала, для осадка, полученного при -0.25 В на никелевой подложке в щелочном электролите (г).FIG. 4 shows the graphs of the specific capacity depending on the sweep speed for birnessite, cathode deposited from a neutral solution of 0.5M Na 2 SO 4 (c), from [T. Tanimoto, H. Abe, K. Tomono, M. Nakayama, Cathodic Synthesis of Birnessite Films for Pseudocapacitor Application, ECS Trans. 50 (2013) 61-70] and specific capacity, depending on the potential scan rate, for a deposit obtained at -0.25 V on a nickel substrate in an alkaline electrolyte (d).

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Способ получения электродных материалов из оксида со структурами бирнессита или вернадита путем катодного восстановления перманганата или манганата в щелочной среде состоит в проведении катодной поляризации проводящей подложки в растворах гидроксидов щелочных металлов с добавками перманганата. При хранении на воздухе перманганат постепенно самопроизвольно восстанавливается водой до манганата, что не вызывает осложнений при дальнейшем проведении процесса. Подложку из углерода, никеля или стали диаметром 15±0.5 мм и толщиной 0.5-5 мм обезжиривают любым стандартным способом, например в ацетоне, и подвергают окислительной химической обработке и вносят в качестве рабочего электрода в раствор, находящийся в электрохимической ячейке оригинальной конструкции (фиг. 1). В ячейке также располагаются вспомогательный электрод и электрод сравнения, относительно которого при помощи потенциостата задают необходимый потенциал осаждения. Геометрия ячейки позволяет осуществить равномерность осаждаемого слоя как по толщине, так и по составу, зависящему от потенциала. Предложенная геометрия обеспечивает равномерное распределение вдоль поверхности как потенциала, так и линий тока при осаждении.The method of producing electrode materials from oxide with birnessite or vernadite structures by cathodic reduction of permanganate or manganate in an alkaline medium consists in carrying out cathodic polarization of a conducting substrate in solutions of alkali metal hydroxides with addition of permanganate. When stored in air, permanganate is gradually spontaneously reduced by water to manganate, which does not cause complications during the further process. A substrate of carbon, nickel or steel with a diameter of 15 ± 0.5 mm and a thickness of 0.5-5 mm is degreased by any standard method, for example, in acetone, and subjected to an oxidative chemical treatment and introduced as a working electrode into a solution in an electrochemical cell of an original design (Fig. one). The cell also contains an auxiliary electrode and a reference electrode, relative to which the required deposition potential is set using a potentiostat. The geometry of the cell allows for the uniformity of the deposited layer both in thickness and in composition, depending on the potential. The proposed geometry provides a uniform distribution along the surface of both the potential and streamlines during deposition.

Трехэлектродная ячейка для осаждения (фиг. 1) является конструкцией цилиндрического типа. Основная часть, контактирующая с раствором, выполнена из тефлона (камера рабочего электрода, водяная камера, крышка водяной камеры, держатель вспомогательного электрода, держатель рабочего электрода). Рабочий электрод представляет собой подложку, на которую производится осаждение (высота определяется материалом, ∅внешн=15 мм). Вспомогательный электрод выполнен из стали (стержень, ∅=15 мм), электрод сравнения - оксидно-ртутный в стеклянном корпусе (не показаны). Камера рабочего электрода представляет собой цилиндр (h=60 мм, ∅внутр=41 мм, ∅внешн=58 мм) с внутренней и внешней резьбой, при помощи которой соединяются рабочая камера, держатели рабочего и вспомогательного электродов, а также водяная камера. Держатель рабочего электрода представляет собой цилиндр (h=25 мм, ∅внешн=41 мм) с ступенчатым отверстием (h1=20 мм, ∅внутр. 1=15 мм, h2=5 мм, ∅внутр. 2=11 мм) и внешней и внутренней резьбами. При помощи внешней резьбы держатель рабочего электрода свинчивается с рабочей камерой. В отверстие с внутренней резьбой помещается рабочий электрод и закрепляется при помощи стопора рабочего электрода, выполненного из капролона в виде шайбы с внутренней и внешними резьбами (h=5 мм, ∅внешн=17 мм). При помощи внешней резьбы стопор фиксирует рабочий электрод в держателе, а при помощи внутренней в нем закрепляется токосъемник (стальная шпилька М5). Держатель вспомогательного электрода выполнен в виде шайбы (h=10 мм, ∅внешн=41 мм) с внешней резьбой и отверстиями для закрепления вспомогательного электрода (∅=15 мм) и деаэрирования (∅=3 мм). Держатель вспомогательного электрода соединяется с рабочей камерой при помощи резьбового соединения. Водяная камера состоит из двух частей: камеры, выполненной в виде цилиндра (h=50 мм, ∅внутр=67 мм, 0 внешн=79 мм) с ступенчатым отверстием (h1=44 мм, ∅внутр. 1=67 мм, h2=6 мм, ∅внутр. 2=57 мм), внутренней резьбой и отверстиями для подачи воды (2 отв. М8) и крышки, выполненной в виде шайбы (h=17 мм, ∅внутр=57 мм, ∅внешн=79 мм) с внутренней резьбой. Части водяной камеры соединяются с рабочей камерой при помощи резьбовых соединений. Собранная основная часть ячейки устанавливается на постамент, состоящий из основания и ножек с основаниями ножек. Основание выполнено в виде параллелепипеда из оргстекла с ступенчатым отверстием (h1=5 мм, ∅внутр. 1=80 мм, h2=10 мм, ∅внутр. 2=40 мм) для установки основной части и резьбовыми отверстиями (М8) для закрепления ножек. Ножки и основания ножек выполнены из дюрали и представляют собой стержни h=100 мм, ∅внешн=8 мм и h=15 мм, ∅внешн=20 мм, соответственно, с резьбой М8. Ножки с основанием и основанием ножки соединяются при помощи резьбового соединения.The three-electrode deposition cell (FIG. 1) is of a cylindrical type. The main part in contact with the solution is made of Teflon (working electrode chamber, water chamber, water chamber cover, auxiliary electrode holder, working electrode holder). The working electrode is a substrate on which the deposition is carried out (the height is determined by the material, ∅ external = 15 mm). The auxiliary electrode is made of steel (rod, ∅ = 15 mm), the reference electrode is an oxide-mercury one in a glass case (not shown). The working electrode chamber is a cylinder (h = 60 mm, ∅ internal = 41 mm, ∅ external = 58 mm) with internal and external threads, by means of which the working chamber, holders of the working and auxiliary electrodes, and also the water chamber are connected. The working electrode holder is a cylinder (h = 25 mm, ∅ external = 41 mm) with a stepped hole (h 1 = 20 mm, ∅ internal 1 = 15 mm, h 2 = 5 mm, ∅ internal 2 = 11 mm) and external and internal threads. Using an external thread, the working electrode holder is screwed to the working chamber. A working electrode is placed in a hole with an internal thread and is fixed with a stopper of the working electrode made of caprolon in the form of a washer with internal and external threads (h = 5 mm, ∅ external = 17 mm). With the help of an external thread, the stopper fixes the working electrode in the holder, and with the help of the internal thread, the current collector is fixed in it (steel stud M5). The auxiliary electrode holder is made in the form of a washer (h = 10 mm, ∅ external = 41 mm) with an external thread and holes for fixing the auxiliary electrode (∅ = 15 mm) and deaeration (∅ = 3 mm). The auxiliary electrode holder is connected to the working chamber by means of a threaded connection. The water chamber consists of two parts: a chamber made in the form of a cylinder (h = 50 mm, ∅ inside = 67 mm, 0 outside = 79 mm) with a stepped hole (h 1 = 44 mm, ∅ inside 1 = 67 mm, h 2 = 6 mm, ∅ internal 2 = 57 mm), internal thread and holes for water supply (2 holes M8) and a cover made in the form of a washer (h = 17 mm, ∅ internal = 57 mm, ∅ external = 79 mm) with internal thread. Parts of the water chamber are connected to the working chamber using threaded connections. The assembled main part of the cell is installed on a pedestal consisting of a base and legs with bases of legs. The base is made in the form of a plexiglass parallelepiped with a stepped hole (h 1 = 5 mm, ∅ inner 1 = 80 mm, h 2 = 10 mm, ∅ inner 2 = 40 mm) for installing the main part and threaded holes (M8) for fixing the legs. The legs and bases of the legs are made of duralumin and represent rods h = 100 mm, ∅ external = 8 mm and h = 15 mm, ∅ external = 20 mm, respectively, with M8 thread. The legs are connected to the base and the base of the leg by means of a threaded connection.

Осаждение может быть также проведено в трехэлектродных ячейках других конструкций, однако в этом случае осадки могут получаться неравномерными по толщине и по стехиометрическому составу (т.е. по степени окисления марганца). Для мониторинга процесса осаждения регистрируют зависимости протекающего тока и пропущенного заряда от времени при фиксированном потенциале. Из величины пропущенного заряда, с использованием известного выхода по току, рассчитывают удельное количество осажденного оксида на единицу поверхности подложки.The deposition can also be carried out in three-electrode cells of other designs, however, in this case, deposits can be obtained uneven in thickness and in stoichiometric composition (i.e., in the oxidation state of manganese). To monitor the deposition process, the dependences of the flowing current and the passed charge on time are recorded at a fixed potential. From the amount of the passed charge, using the known current efficiency, the specific amount of the deposited oxide per unit surface of the substrate is calculated.

Для получения электродного материала в качестве исходных соединений используют (1) щелочь (KOH, или NaOH или LiOH) и (2) перманганат калия KMnO4. Готовят водный раствор из (1) и (2), предпочтительно при постоянном перемешивании. Концентрация щелочи в растворе составляет от 1 до 5 моль/л, перманганата или манганата от 1 до 20 ммоль/л. Образовавшийся раствор помещают в ячейку (фиг. 1) и деаэрируют током аргона в течение не менее 30 мин. Время деаэрирования может быть произвольно увеличено и не влияет на результат. Затем задают потенциал рабочего электрода от -0.05 до -0.25 В по оксидно-ртутному электроду в растворе щелочи той же концентрации (ниже все значения потенциала приведены в шкале этого электрода сравнения). В ходе осаждения регистрируют ток и пропускаемый заряд. Осаждение проводят до достижения удельных пропущенных зарядов 0.039-4 Кл/см2 в расчете на геометрическую поверхность подложки, что соответствует количествам оксида в пленке (загрузкам) 0.013 1.6 мг/см2. Нижняя граница этого интервала соответствует загрузкам, актуальным для катода топливного элемента, верхняя граница загрузкам для применения в электрохимических конденсаторах. Далее полученный оксид на подложке промывают для удаления загрязнений и не прореагировавших остатков перманганата раствором фонового электролита, в количестве не менее, чем в 100 раз превышающим объем полученного осажденного слоя (осадка). При использовании подложек из металлов и окисленного углерода выходы по току составляют не менее 90%.To obtain the electrode material, the starting compounds are (1) alkali (KOH, or NaOH or LiOH) and (2) potassium permanganate KMnO 4 . An aqueous solution is prepared from (1) and (2), preferably with constant stirring. The concentration of alkali in solution is from 1 to 5 mol / l, permanganate or manganate from 1 to 20 mmol / l. The resulting solution is placed in a cell (Fig. 1) and deaerated with an argon flow for at least 30 minutes. The deaeration time can be arbitrarily increased and does not affect the result. Then, the potential of the working electrode is set from -0.05 to -0.25 V by the oxide-mercury electrode in an alkali solution of the same concentration (below, all the values of the potential are given on the scale of this reference electrode). During deposition, the current and the transmitted charge are recorded. The deposition is carried out until the specific missed charges reach 0.039-4 C / cm 2 calculated on the geometric surface of the substrate, which corresponds to the amount of oxide in the film (load) 0.013 1.6 mg / cm 2 . The lower limit of this interval corresponds to the loads actual for the cathode of the fuel cell, the upper limit to the loads for use in electrochemical capacitors. Next, the resulting oxide on the substrate is washed to remove impurities and unreacted permanganate residues with a background electrolyte solution, in an amount not less than 100 times the volume of the resulting deposited layer (precipitate). When using substrates made of metals and oxidized carbon, the current efficiency is at least 90%.

Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами выполнения, которые не являются единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present invention is illustrated by specific examples of execution, which are not the only possible, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result.

Пример 1.Example 1.

В качестве рабочего электрода в ячейке (фиг. 1) использовали диск из стеклоуглерода толщиной 2 мм, диаметром 15 мм. Перед осаждением электрод подвергали поляризации в течение 10 с при 1.8 В по оксиднортутному электроду в растворе NaOH с концентрацией 1 моль/л. Затем 1.0 г NaOH растворяли в 24 мл Н2О, получая раствор с концентрацией 1 моль/л. В этот раствор добавляли 0.078 г перманганата калия KMnO4, получая раствор с концентрацией перманганата 20 ммоль/л. Образовавшийся раствор помещали в ячейку и деаэрировали током аргона в течение 30 мин. Затем задавали потенциал рабочего электрода -0.25 В по оксиднортутному электроду в растворе щелочи той же концентрации. В ходе осаждения регистрировали ток и пропускаемый заряд. Осаждение проводили до достижения удельного заряда 1.06 Кл/см2, что соответствует количествам оксида в пленке (загрузкам) 0.39 мг/см2. Полученный оксид на подложке извлекали из ячейки, выдерживали 3 раза по 20 минут в 30 мл дистиллированной воды при небольшом размешивании и высушивали при комнатной температуре. После этого кристаллическую структуру оксида подтверждали рентгенографически. Полученные результаты представлены на фиг. 2. Рентгенограмма образца отвечает структуре бирнессита, характеризующегося слоистостью и высоким разоупорядочением, что приводит к существенному уширению рефлексов. Полученный осадок состоит из тонких пластинок, формирующих характерные глобулы с высокой пористостью, что показано на Фиг. 3 (справа, а). Такая морфология является типичной для бирнессита. Таким образом в ходе эксперимента действительно получена заявленная фаза.A glassy carbon disk 2 mm thick and 15 mm in diameter was used as a working electrode in the cell (Fig. 1). Before deposition, the electrode was polarized for 10 s at 1.8 V using a mercury oxide electrode in a NaOH solution with a concentration of 1 mol / L. Then 1.0 g of NaOH was dissolved in 24 ml of H 2 O, obtaining a solution with a concentration of 1 mol / L. To this solution was added 0.078 g of potassium permanganate KMnO 4 , obtaining a solution with a permanganate concentration of 20 mmol / L. The resulting solution was placed in a cell and deaerated with an argon flow for 30 min. Then the potential of the working electrode was set at -0.25 V over the mercury oxide electrode in an alkali solution of the same concentration. During deposition, the current and the transmitted charge were recorded. The deposition was carried out until the specific charge reached 1.06 C / cm 2 , which corresponds to the amount of oxide in the film (load) of 0.39 mg / cm 2 . The resulting oxide on the substrate was removed from the cell, kept for 3 times for 20 minutes in 30 ml of distilled water with slight stirring, and dried at room temperature. Thereafter, the crystal structure of the oxide was confirmed by X-ray diffraction. The results are shown in FIG. 2. The X-ray diffraction pattern of the sample corresponds to the structure of birnessite, which is characterized by layering and high disordering, which leads to a significant broadening of reflections. The resulting precipitate consists of thin lamellae forming characteristic globules with high porosity, as shown in FIG. 3 (right, a). This morphology is typical for birnessite. Thus, in the course of the experiment, the declared phase was actually obtained.

Пример 2.Example 2.

Проводили аналогично примеру 1, но при осаждении задавали потенциал рабочего электрода -0.05 В по оксиднортутному электроду в растворе щелочи той же концентрации. Осаждение проводили до достижения удельного заряда 1.06 Кл/см2, что соответствует количествам оксида в пленке (загрузкам) 0.30 мг/см2. Кристаллическую структуру оксида подтверждали рентгенографически. Полученные результаты представлены на фиг. 2. Рентгенограмма полученного образца характеризуется набором рефлексов, близких к рентгенограмме бирнессита. Однако, на ней отсутствуют первые два рефлекса, что указывает на отсутствие межслоевого упорядочения, что характерно именно для структуры вернадита. Полученный осадок обладает компактной морфологией и пронизан порами нанометрового размера (Фиг. 3 справа, б). Гораздо более плотная структура по сравнению с сильно разветвленным бирнесситом обеспечивает значительно более высокую механической устойчивость полученного осадка.Carried out analogously to example 1, but during deposition set the potential of the working electrode -0.05 V for mercury oxide electrode in an alkali solution of the same concentration. The deposition was carried out until the specific charge reached 1.06 C / cm 2 , which corresponds to the amount of oxide in the film (load) of 0.30 mg / cm 2 . The crystal structure of the oxide was confirmed by X-ray diffraction. The results are shown in FIG. 2. The X-ray diffraction pattern of the obtained sample is characterized by a set of reflections close to the X-ray diffraction pattern of birnessite. However, it lacks the first two reflections, which indicates the absence of interlayer ordering, which is characteristic of the vernadite structure. The resulting sediment has a compact morphology and is permeated with nanosized pores (Fig. 3 on the right, b). A much denser structure in comparison with highly branched birnessite provides a significantly higher mechanical stability of the resulting sediment.

Пример 3.Example 3.

Проводили аналогично описанному в примере 2, но сразу после осаждения подложку с полученным оксидом промывали 30 мл раствора фонового щелочного электролита в течение 3 минут. После этого электрод снова помещали в ячейку и заполняли ее 25 мл раствора фонового щелочного электролита. Раствор деаэрировали током аргона в течение 30 мин. Затем электрод подвергали циклическому наложению потенциала в интервале от -0.03 до 0.27 В режиме с линейной разверткой потенциала со скоростью 0.1 В/с. В ходе эксперимента осуществляли 1000 полных циклов, наблюдали снижение емкости около 10% через 1000 циклов. В ходе проведения циклирования количество оксида на подложке не изменилось (с точностью до ошибки определения массы для материалов, извлекаемых из раствора и подвергаемых сушке): оно составляло 0.30-0.32 мг/см2. Таким образом, в ходе циклирования потенциала осадок не теряет механической устойчивости.Carried out similarly to that described in example 2, but immediately after deposition, the substrate with the resulting oxide was washed with 30 ml of a background alkaline electrolyte solution for 3 minutes. After that, the electrode was again placed in the cell and filled with 25 ml of a solution of the background alkaline electrolyte. The solution was deaerated with an argon flow for 30 min. Then, the electrode was subjected to cyclic application of potential in the range from –0.03 to 0.27 in the mode with a linear potential scan at a rate of 0.1 V / s. During the experiment, 1000 complete cycles were carried out, a decrease in capacity of about 10% was observed after 1000 cycles. During the cycling the amount of the oxide on the substrate is not changed (up to weight the error determination for materials extracted from the solution and subjected to drying): it was 0.30-0.32 mg / cm 2. Thus, during the cycling of the potential, the sludge does not lose its mechanical stability.

Пример 4.Example 4.

В качестве рабочего электрода в ячейке (фиг. 1) использовали диск из листового никеля толщиной 0.5 мм, диаметром 15 мм. Перед осаждением электрод подвергали поляризации в течение 100 с при -1.1 В по оксиднортутному электроду в растворе NaOH с концентрацией 1 моль/л. Затем 1.0 г NaOH растворяли в 24 мл Н2О, получая раствор с концентрацией 1 моль/л. В этот раствор добавляли 0.078 г перманганата калия KMnO4, получая раствор с концентрацией перманганата 20 ммоль/л. Образовавшийся раствор помещали в ячейку и деаэрировали током аргона в течение 30 мин. Затем задавали потенциал рабочего электрода -0.25 В по оксиднортутному электроду в растворе щелочи той же концентрации. В ходе осаждения регистрировали ток и пропускаемый заряд. Осаждение проводили до достижения удельного заряда 0.039 Кл/см2, что соответствует количествам оксида в пленке (загрузкам) 0.013 мг/см2. После осаждения подложку с полученным оксидом промывали 30 мл раствора фонового щелочного электролита в течение 3 минут. После этого электрод снова помещали в ячейку и заполняли ее 25 мл раствора фонового щелочного электролита. Раствор деаэрировали током аргона в течение 40 мин. Затем электрод подвергали циклическому наложению потенциала в интервале от -0.15 до 0.27 В режиме с линейной разверткой потенциала с различными скоростями развертки в интервале 1 2000 мВ/с. Полученные зависимости удельной емкости от скорости заряжения представлены на Фиг. 4. Сравнивая полученные результаты с описанными в работе Т. Tanimoto, Н. Abe, K. Tomono, М. Nakayama, Cathodic Synthesis of Birnessite Films for Pseudocapacitor Application, ECS Trans. 50 (2013) 61-70 для интервала до 200 мВ/с, можно отметить, что осадок, полученный в щелочном растворе демонстрирует значительно более высокую удельную емкость 500 Ф/г, которая при 200 мВ/с снижается до 420 Ф/г. При на порядок еще более быстром перезаряжении 2000 мВ/г емкость остается выше 200 Ф/г. Как следует из сравнения вольтамперограмм для полученного осадка и осадков из [R. Delia Noce,

Figure 00000001
, T.M. Silva, M.J. Carmezim, M.F. Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039/c7ra04481j], высокая обратимость перезаряжения пленки бирнессита, полученного в щелочной среде, сохраняется до гораздо более высоких значений скоростей развертки потенциала.A disc made of sheet nickel 0.5 mm thick and 15 mm in diameter was used as a working electrode in the cell (Fig. 1). Before deposition, the electrode was subjected to polarization for 100 s at -1.1 V using a mercury oxide electrode in a NaOH solution with a concentration of 1 mol / L. Then 1.0 g of NaOH was dissolved in 24 ml of H 2 O, obtaining a solution with a concentration of 1 mol / L. To this solution was added 0.078 g of potassium permanganate KMnO 4 , obtaining a solution with a permanganate concentration of 20 mmol / L. The resulting solution was placed in a cell and deaerated with an argon flow for 30 min. Then the potential of the working electrode was set at -0.25 V over the mercury oxide electrode in an alkali solution of the same concentration. During deposition, the current and the transmitted charge were recorded. The deposition was carried out until the specific charge reached 0.039 C / cm 2 , which corresponds to the amount of oxide in the film (load) of 0.013 mg / cm 2 . After deposition, the substrate with the resulting oxide was washed with 30 ml of the background alkaline electrolyte solution for 3 minutes. After that, the electrode was again placed in the cell and filled with 25 ml of a solution of the background alkaline electrolyte. The solution was deaerated with an argon flow for 40 min. Then, the electrode was subjected to cyclic application of potential in the range from –0.15 to 0.27 in the mode with a linear potential sweep with various sweep rates in the range of 1–2000 mV / s. The obtained dependences of the specific capacity on the charging rate are presented in Fig. 4. Comparing the results obtained with those described in T. Tanimoto, H. Abe, K. Tomono, M. Nakayama, Cathodic Synthesis of Birnessite Films for Pseudocapacitor Application, ECS Trans. 50 (2013) 61-70 for the range up to 200 mV / s, it can be noted that the precipitate obtained in an alkaline solution demonstrates a significantly higher specific capacity of 500 F / g, which at 200 mV / s decreases to 420 F / g. At an order of magnitude even faster recharge of 2000 mV / g, the capacity remains above 200 F / g. As follows from a comparison of voltammograms for the resulting sediment and precipitation from [R. Delia Noce,
Figure 00000001
, TM Silva, MJ Carmezim, MF Montemor, Electrodeposition: a versatile, efficient, binder-free and room temperature one-step process to produce MnO 2 electrochemical capacitor electrodes, RSC Adv. 7 (2017) 32038-32043. doi: 10.1039 / c7ra04481j], the high recharge recharge of the byrnessite film obtained in an alkaline medium is retained up to much higher potential sweep rates.

Примеры 5-12 проводили аналогично примеру 1, параметры приведены в таблице.Examples 5-12 were carried out analogously to example 1, the parameters are shown in the table.

Figure 00000002
Figure 00000002

Claims (11)

1. Способ получения электродного материала из оксида марганца с кристаллической структурой бирнессита или вернадита, включающий приготовление электролита посредством смешения водного щелочного раствора и раствора перманганата, полученный раствор помещают в ячейку, включающую рабочий электрод, в качестве которого используют проводящую подложку для осаждения электродного материала, вспомогательный электрод и оксидно-ртутный электрод сравнения, электролит деаэрируют током аргона в течение времени, необходимого для удаления кислорода, затем задают потенциал рабочего электрода от -0.05 до -0.25 В по оксидно-ртутному электроду в растворе щелочи той же концентрации, осаждение проводят до достижения удельных пропущенных зарядов 0.039 – 4 Кл/см2 в расчете на геометрическую поверхность подложки, далее подложку с электродным материалом многократно промывают для удаления загрязнения и непрореагировавших остатков солей марганца.1. A method of producing an electrode material from manganese oxide with a crystal structure of birnessite or vernadite, including preparing an electrolyte by mixing an aqueous alkaline solution and a permanganate solution, the resulting solution is placed in a cell including a working electrode, which is used as a conductive substrate for deposition of electrode material, an auxiliary electrode and oxide-mercury reference electrode, the electrolyte is deaerated with an argon current for the time required to remove oxygen, then the potential of the working electrode is set from -0.05 to -0.25 V over the oxide-mercury electrode in an alkali solution of the same concentration, deposition is carried out until the specific missed charges 0.039 - 4 C / cm 2 calculated on the geometric surface of the substrate, then the substrate with the electrode material is repeatedly washed to remove contamination and unreacted residues of manganese salts. 2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве проводящей подложки используют подложку из углерода, никеля или стали.2. A method according to claim 1, characterized in that a carbon, nickel or steel substrate is used as the conductive substrate. 3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для приготовления щелочного раствора используют KOH, или NaOH, или LiOH.3. The method according to claim 1, characterized in that KOH, or NaOH, or LiOH is used to prepare the alkaline solution. 4. Способ по п.3, характеризующийся тем, что концентрация щелочи в растворе составляет от 1 до 5 моль/л.4. The method according to claim 3, characterized in that the concentration of alkali in the solution is from 1 to 5 mol / l. 5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве перманганата используют перманганат калия KMnO4 или перманганат натрия NaMnO4, 5. The method according to claim 1, characterized in that potassium permanganate KMnO 4 or sodium permanganate NaMnO 4 is used as the permanganate, 6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что концентрация перманганата составляет от 1 до 20 ммоль/л.6. The method according to claim 5, characterized in that the concentration of permanganate is from 1 to 20 mmol / l. 7. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для промывания оксида на подложке используют фоновый щелочной электролит, взятый в объеме не менее чем в 100 раз превышающий объем полученного осажденного слоя.7. The method according to claim 1, characterized in that for washing the oxide on the substrate, a background alkaline electrolyte is used, taken in a volume not less than 100 times the volume of the obtained deposited layer. 8. Способ по п.1, характеризующийся тем, что предварительно проводящую подложку подвергают окислительной химической обработке.8. The method according to claim 1, characterized in that the pre-conductive substrate is subjected to an oxidative chemical treatment. 9. Электродный материал из оксида марганца с кристаллической структурой бирнессита или вернадита для изготовления электродов для электрохимических устройств с водным щелочным электролитом, полученный способом по п. 1, характеризующийся равномерной микроструктурой с количеством оксида в пленке до 1.6 мг/см2 и емкостью до 500 Ф/г.9. Electrode material of manganese oxide with a crystal structure of birnessite or vernadite for the manufacture of electrodes for electrochemical devices with an aqueous alkaline electrolyte, obtained by the method according to claim 1, characterized by a uniform microstructure with the amount of oxide in the film up to 1.6 mg / cm 2 and a capacity of up to 500 F /G. 10. Электродный материал по п.9, характеризующийся тем, что емкость материала составляет от 200 до 500 Ф/г.10. The electrode material of claim 9, wherein the material has a capacity of 200 to 500 F / g. 11. Электродный материал по п.9, характеризующийся тем, что при скорости перезаряжения материала 200 мВ/с емкость уменьшается не более чем на 20 %.11. Electrode material according to claim 9, characterized in that at a material recharge rate of 200 mV / s, the capacitance decreases by no more than 20%.
RU2020132232A 2020-09-30 2020-09-30 Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof RU2762313C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132232A RU2762313C1 (en) 2020-09-30 2020-09-30 Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020132232A RU2762313C1 (en) 2020-09-30 2020-09-30 Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2762313C1 true RU2762313C1 (en) 2021-12-17

Family

ID=79175348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020132232A RU2762313C1 (en) 2020-09-30 2020-09-30 Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2762313C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU142031U1 (en) * 2013-10-02 2014-06-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) SUPERCAPACITOR
CN105502504A (en) * 2016-02-17 2016-04-20 上海应用技术学院 Preparation method of manganese dioxide nanowire
US20180134576A1 (en) * 2015-06-22 2018-05-17 Prince Erachem Sprl Highly Pure Birnessite and Method for the Production Thereof
CN109231276A (en) * 2018-09-21 2019-01-18 桂林理工大学 Sulfamic acid restores potassium permanganate and prepares α-MnO2The method and application of nano wire

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU142031U1 (en) * 2013-10-02 2014-06-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук (ИХС РАН) SUPERCAPACITOR
US20180134576A1 (en) * 2015-06-22 2018-05-17 Prince Erachem Sprl Highly Pure Birnessite and Method for the Production Thereof
CN105502504A (en) * 2016-02-17 2016-04-20 上海应用技术学院 Preparation method of manganese dioxide nanowire
CN109231276A (en) * 2018-09-21 2019-01-18 桂林理工大学 Sulfamic acid restores potassium permanganate and prepares α-MnO2The method and application of nano wire

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Galizzioli et al. Ruthenium dioxide: a new electrode material. I. Behaviour in acid solutions of inert electrolytes
Xia et al. Hierarchically porous NiO film grown by chemical bath deposition via a colloidal crystal template as an electrochemical pseudocapacitor material
Pavlov et al. Structural properties of the PbO2 active mass determining its capacity and the “breathing” of the positive plate during cycling
US20020034676A1 (en) Method of fabricating catalyzed porous carbon electrode for fuel cell
JP5369050B2 (en) Metal porous body with high corrosion resistance
US20160251765A1 (en) Electrochemical cell containing a graphene coated electrode
US11498854B2 (en) Bismuth-based chloride-storage electrodes
Lee et al. Morphology and composition control of manganese oxide by the pulse reverse electrodeposition technique for high performance supercapacitors
US4224392A (en) Nickel-oxide electrode structure and method of making same
US20010001194A1 (en) Proton inserted ruthenium oxide electrode material for electrochemical capacitors
Matheswaran et al. A binder-free Ni 2 P 2 O 7/Co 2 P 2 O 7 nanograss array as an efficient cathode for supercapacitors
Kovalenko et al. INFLUENCE OF THE CARBONATE ION ON CHARACTERISTICS OF ELECTROCHEMICALLY SYNTHESIZED LAYERED (α+ β) NICKEL HYDROXIDE.
JP2020024819A (en) Positive active material for aqueous zinc ion battery
Xu et al. Porous nickel electrodes with controlled texture for the hydrogen evolution reaction and sodium borohydride electrooxidation
Rathod et al. Effect of binary additives on performance of the undivided soluble-lead-redox-flow battery
Hofer et al. Properties, performance and stability of iridium-coated water oxidation electrodes based on anodized titanium felts
Fang et al. Li (110) lattice plane evolution induced by a 3D MXene skeleton for stable lithium metal anodes
RU2762313C1 (en) Electrode material made of manganese oxide with a birnessite or vernadite structure and method for production thereof
Pereira et al. Platinum-free lead dioxide electrode for electrooxidation of organic compounds
US3847784A (en) Porous cadmium anode and a method of forming it, and a primary cell using the anode
Jaiswal et al. The combined impact of trimethyloctadecylammonium chloride and sodium fluoride on cycle life and energy efficiency of soluble lead-acid flow battery
US4540476A (en) Procedure for making nickel electrodes
KR101389826B1 (en) Supercapacitor comprising metal oxide electrode and polymer gel electrolyte
KR830000240B1 (en) Manufacturing method of nickel electrode
Jaiswal et al. Recent developments and challenges in membrane-Less soluble lead redox flow batteries