Heteroatom katkılanmış grafenin Li-Hava pillerinde katat olarak kullanılabilirliğinin araştırılması

Abstract

Gün geçtikçe artan enerji ihtiyacı, hareketlilik ve buna bağlı olarak artan çevresel sorunlar, enerjinin verimli kullanılması gerekliliğini ortaya çıkarmış ve şarj edilebilir pil ve bataryalara olan talebin hızla artmasına neden olmuştur. Li-hava pilleri, teorik özgül kapasiteleri ile içten yanmalı motorlara en olası alternatiftir. Bu nedenle son yıllarda şarj edilebilir Li-hava pillerinin üretilmesine yönelik çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmada, solvotermal yöntemle azot katkılanmış grafen (N-GN), silisyum-azot katkılanmış grafen (Si-N-GN) ve demir-azot katkılanmış grafen (Fe-N-GN) sentezlenmiş ve Li-hava pillerde katot elektrokatalizörü olarak davranışları belirlenmiştir. Ürünlerin morfolojik yapıları enerji dağılımlı taramalı elektron mikroskobu (SEM-EDS) ve N2 adsorpsiyonu yöntemi ile kristal yapıları X-ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektrometresi ile elementel bileşimi ve elementlerin bağlanma konfigürasyonları ise X-ışınları fotoelektron spektrometresi (XPS) ile karakterize edilmiştir. Buna göre, N-GN'nin sık istiflenmiş grafen tabakalarının birbirine bağlandığı düzenli mikro- ve mezo- gözneklerden oluştuğu, Si-N-GN'nin dağınık haldeki çoklu grafen plakalardan oluşan yapıya sahip olduğu, Fe-N-GN'nin ise grafen plakalarının yanında, Fe-C ve Fe-N bağlanma şekillerine sahip grafen ile kapalanmış mikro boyutta FexOy yapılara sahip olduğu görülmüştür. Sentezlenen ürünlerin elektrokatalitik davranışları, asetonitril (AN), dimetilsülfoksit (DMSO), propilenkarbonat (PC) veya tetraetilenglikoldimetileter (TEGDME) çözücüleri ile hazırlanmış, 1,0 M lityumtetraflorosülfonimid (LiTFSI) veya 1,0 M lityumhekzaflorofosfat (LiPF6) içeren çözeltilerde belirlenmiştir. Buna göre, genel olarak DMSO'nun tüm grafen örnekleri tarafından elektrokatalitik olarak yükseltgendiği ve örneklerin TEGDME elektrolitlerinde zayıf elektrokatalitik aktiviteye sahip olduğu gözlenmiştir. Si-N-GN için 1.0 M LiTFSI içeren PC çözeltisinde 1480 mAh/g deşarj kapasitesi elde edilmiştir.