Magnetometrische Charakterisierung von Zwischenprodukten in der Festkörperelektrochemie redoxaktiver metallorganischer Gerüstverbindungen

Zusammenfassung

Ex-situ-Magnetfelduntersuchungen können direkt Bulk- und lokale Informationen über eine magnetische Elektrode liefern, um ihren Ladungsspeichermechanismus Schritt für Schritt aufzudecken. In dieser Arbeit werden Elektronenspinresonanz (ESR) und magnetische Suszeptibilität demonstriert, um die Bewertung paramagnetischer Spezies und ihrer Konzentration in einem redoxaktiven metallorganischen Gerüst (MOF) zu überwachen.

Zusammenfassung

Die elektrochemische Energiespeicherung war in den letzten 5 Jahren eine viel diskutierte Anwendung von redoxaktiven metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs). Obwohl MOFs eine hervorragende Leistung in Bezug auf gravimetrische oder flächenhafte Kapazität und Zyklenstabilität aufweisen, sind ihre elektrochemischen Mechanismen leider in den meisten Fällen nicht gut verstanden. Traditionelle spektroskopische Techniken wie die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Feinstruktur der Röntgenabsorption (XAFS) haben nur vage und qualitative Informationen über Valenzänderungen bestimmter Elemente geliefert, und die auf dieser Information basierenden Mechanismen sind oft höchst umstritten. In diesem Artikel berichten wir über eine Reihe standardisierter Methoden, darunter die Herstellung elektrochemischer Festkörperzellen, elektrochemische Messungen, die Demontage von Zellen, die Sammlung elektrochemischer MOF-Zwischenprodukte und physikalische Messungen der Zwischenprodukte unter dem Schutz von Inertgasen. Durch die Verwendung dieser Methoden zur quantitativen Klärung der Elektronen- und Spinzustandsentwicklung innerhalb eines einzigen elektrochemischen Schritts von redoxaktiven MOFs kann man einen klaren Einblick in die Natur elektrochemischer Energiespeichermechanismen nicht nur für MOFs, sondern auch für alle anderen Materialien mit stark korrelierten elektronischen Strukturen geben.

Einleitung

Seit der Einführung des Begriffs metallorganisches Gerüst (MOF) in den späten 1990er Jahren und insbesondere in den 2010er Jahren sind die repräsentativsten wissenschaftlichen Konzepte zu MOFs aus ihrer strukturellen Porosität entstanden, einschließlich Gastverkapselung, Trennung, katalytische Eigenschaften und Molekülerkennung 1,2,3,4 . In der Zwischenzeit erkannten Wissenschaftler schnell, dass es für MOFs unerlässlich ist, auf Reize reagierende elektronische Eigenschaften zu besitzen, um sie in moderne intelligente Geräte zu integrieren. ....

Protokoll

1. Herstellung von Elektroden

1. Synthese von Cu-THQ MOF
   ANMERKUNG: Das polykristalline Cu-THQ-MOF-Pulver wurde mittels einer hydrothermalen Methode nach den zuvor veröffentlichten Verfahren 14,20,23 synthetisiert.
   1. Geben Sie 60 mg Tetrahydroxychinon in eine 20-ml-Ampulle und fügen Sie dann 10 ml entgastes Wasser hinzu. In einer separaten Durchstechflasche aus Glas werden 110 mg Kupfer(II)-nitrattrihydrat in weiteren 10 ml entgastem Wasser gelöst. 46 μl des konkurrierenden Liganden Ethylendiamin werden mit einer Pipette zugegeben.
      ....

Diskussion

Um Kathoden herzustellen, ist es notwendig, das aktive Material mit leitfähigem Kohlenstoff zu mischen, um eine geringe Polarisation während des elektrochemischen Prozesses zu erreichen. Das Kohlenstoffadditiv ist der erste kritische Punkt für die Ex-situ-Magnetometrie ; Wenn der Kohlenstoff Radikaldefekte aufweist, kann das Auftreten des elektrochemisch induzierten organischen Radikals im ESR-Spektrum nicht beobachtet werden. Dies macht es schwierig, die Spinkonzentration oder die Konzentration organischer R.......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-Methyl-2-pyrrolidone	FUJIFILM Wako Chemicals	139-17611	Super Dehydrated
1mol/L LiBF4 EC:DEC (1:1 v/v%)	Kishida	LBG-96533	electrolyte
4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl	FUJIFILM Wako Chemicals	089-04191	TEMPOL, for Spin Labeling
Ampule tube	Maruemu Corporation	5-124-05	20mL
Carbon black, Super P Conductive	Alfa Aesar	H30253
Conductive Carbon Black	Mitsubishi Chemical
Copper (II) Nitrate Trihydrate	FUJIFILM Wako Chemicals	033-12502	deleterious substances
Dimethyl Carbonate	FUJIFILM Wako Chemicals	046-31935	battery grade
Ethylenediamine	FUJIFILM Wako Chemicals	053-00936	deleterious substances
Graphene Nanoplatelets	Tokyo Chemical Industry	G0442	6-8nm(thick), 15µm(wide)
Poly(vinylidene fluoride)	Sigma Aldrich	182702
Potassium Bromide	FUJIFILM Wako Chemicals	165-17111	for Infrared Spectrophotometry
Sodium Alginate	FUJIFILM Wako Chemicals	199-09961	500-600 cP
SQUID Magnetometer	Quantum Design	MPMS-XL 5
Tetrahydroxy-1,4-benzoquinone Hydrate	Tokyo Chemical Industry	T1090
X-Band ESR	JEOL	JES-F A200