Structural, Electrochemical and Magnetic Properties of Carbon/Indium Oxide and Nickel Oxide Composite Nanofibers

Abstract

This research was fabricated the nano-cabonfibers including nano-cabonfibers modified by indium oxide and nickel oxide prepared by the electrospinning method which was subsequently calcined in three steps; stabilization, carbonization, and activation. The carbonization was annealed at 500 ºC, the resulted nano-cabonfibers used as the electrode supercapacitor. The selected polymers were polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyacrylonitrile (PAN). After that, the structure, electrochemical and magnetic properties were characterized using x-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrochemical performance and magnetic properties were investigated using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) technique, and Vibrating sample magnetometer (VSM), respectively. The results showed that the average diameter of nanofibers was around 317 ± 77 to 583 ± 111 nm. The nano-cabonfibers using PVP which modified indium nitrate and nickel nitrate with the ratio 1:1, 2:1, and 1:2 for PVP showed the composite phase of cubic In2O3, cubic NiO, and the impurity phase of In, Ni, InNi, In3Ni2, and InNi3C0.5. They could be detected by XRD. The nano-cabonfibers prepared from PAN: PVP at the ratio of 100:0, 80:20, 70:30, and 60:40 showed the phases of graphite and amorphous carbon structures. The nano-cabonfibers modified by indium nitrate and nickel nitrate at the ratio 2:1 and using PAN: PVP at 100:0 and 60:40 showed the phases of amorphous carbon, absence of metal oxide phase due to the high carbon content and lack of oxygen in calcination process. The electrochemical performance of resulted electrodes was studied in 6 M KOH electrolyte. All the CV curves exhibited a quasi-rectangular sharp without apparent redox peaks. The charge storage mechanism of all samples electrode was electric double layer capacitance (EDLC) at the electrode/electrolyte interface. The nano-cabonfibers modified showed the specific capacitance about 25 - 195 F/g. The nano-cabonfibers prepare from 25 wt% of indium nitrate and nickel nitrate at the ratio 2:1 over PAN exhibited the highest specific capacitance of 195 F/g with the specific surface as 277.49 m2/g and the average pore size was 2.43 nm. The energy density of the sample was 27 Wh/kg and the power density around 498.4 W/kg. The energy density was improved by 18.4% in the CNF matrix at 1 A/g. This supercapacitor electrode exhibited excellent cycle stability with capacitance retention around 93 - 97 % of the initial value after 1000 cycles.

The nano-cabonfibers using indium nitrate and nickel nitrate at the ratio 1:1, 2:1, and 1:2 over PVP exhibited soft ferromagnetic behavior at room temperature (300 K) with the magnetization of 0.015 - 428.18 memu/g and coercivity of 660.10 - 1927.72 Oe. The pure nano-cabonfibers using the mass ratios of PAN and PVP at 100:0, 80:20, 70:30, and 60:40 revealed soft ferromagnetic behavior with the magnetization of 7.70 - 144.24 memu/g and coercivity of 949.61 - 2777.02 Oe. The observed ferromagnetism could be based on the rich carbon defects of carbon dangling bonds and strong ferromagnetic coupling between them. The nano-cabonfibers prepared from 20 and 25 wt% of indium nitrate and nickel nitrate at the ratio 2:1 over PAN exhibited showed soft ferromagnetic behavior with the magnetization of 12.12 and 105.60 memu/g, respectively. This behavior is possibly due to the metal oxide and the small average diameters of nanofibers. The nano-cabonfibers modified by 20 wt% of indium nitrate and nickel nitrate at the ratio 2:1 over PVP exhibited has the highest magnetization of 428.18 memu/g. This work indicated that the fabricated nano-cabonfibers by indium oxide and nickel oxide can be used as electrode supercapacitors with excellent cycle stability and high energy density.

งานวิจัยนี้ทําการประดิษฐ์เส้นใยนาโนคาร์บอน รวมทั้งเส้นใยนาโนคาร์บอนผสมกับออกไซด์ของโลหะอินเดียมและนิกเกิล ด้วยวิธีอิเล็กโทรสปินนิง ร่วมกับการแคลไซน์ใน 3 ขั้นตอนคือการรักษาเสถียรภาพ คาร์บอไนเซชัน และการกระตุ้น โดยคาร์บอไนเซชันที่อุณหภูมิ 500 ºC สําหรับนําไปประยุกต์ใช้เป็นขั้วไฟฟ้าในตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวด ใช้พอลิเมอร์โพลีไวนิลไพโรลิโดน (PVP) และพอลิอะคริโลไนไตรล์(PAN) หลังจากนั้นนําไปศึกษาโครงสร้าง สมบัติทางเคมีไฟฟ้า และแม่เหล็ก ด้วยเทคนิคต่างๆ ได้แก่ การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์(XRD) ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์เล็กตรอนแบบส่องกราดกําลังขยายสูง (FE-SEM) เทคนิคเอ็กซเรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเป็กโตรสโกปี(XPS) การตรวจสอบสมบัติทางเคมีไฟฟ้าด้วยเทคนิคไซคลิกโวลแทมเมตตรี(CV) เทคนิคกัลป์วานอสแตติกชาร์จดิสชาร์จ (GCD) และสมบัติทางแม่เหล็กด้วยเทคนิคแมกนีโตมิเตอร์แบบตัวอย่างสั่น (VSM) ผลการศึกษาพบว่าเส้นใยนาโนทั้งหมดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 317 ± 77 ถึง 583 ± 111 nm เมื่อตรวจสอบด้วย XRD เส้นใยนาโนที่ใช้อินเดียมไนเตรทต่อนิกเกิลไนเตรทสัดส่วน 1:1 2:1 และ 1:2 บนพอลิเมอร์ PVP เกิดเฟสโครงสร้าง In2O3 และ NiO แบบคิวบิก มีเฟสปลอมปนของโลหะอินเดียม นิกเกิล สารประกอบของ InNi In3Ni2 และ InNi3C0.5 เส้นใยนาโนคาร์บอนสัดส่วน PAN:PVP เท่ากับ 100:0 80:20 70:30 และ 60:40 เกิดโครงสร้างของแกรไฟต์และคาร์บอนอสัณฐาน เส้นใยนาโนที่เตรียมจากอินเดียมไนเตรทต่อนิกเกิลไนเตรท สัดส่วน 2:1 และสัดส่วน PAN:PVP เท่ากับ 100:0 และ 60:40 เกิดโครงสร้างของคาร์บอนอสัณฐานและไม่ปรากฏเฟสของโลหะออกไซน์อาจเป็นผลจากปริมาณของคาร์บอนที่สูงรวมทั้งมีปริมาณออกซิเจนไม่เพียงพอในกระบวนการแคลไซน์ เมื่อทดสอบประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้า ในละลายอิเล็กโทรไลต์ KOH ความเข้มข้น 6 โมลาร์ พบว่าทุกเส้นโค้ง CV มีรูปร่างคล้ายสี่เหลี่ยมผืนผ้าไม่ปรากฏพีคการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ แสดงถึงกลไกการกักเก็บประจุของวัสดุเป็นการสะสมแบบสองชั้น (EDLC) ระหว่างพื้นผิวขั้วไฟฟ้าและสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เส้นใยนาโนคาร์บอนมีความจุไฟฟ้าจำเพาะอยู่ในช่วง 25 - 195 F/g วัสดุที่มีค่าสูงสุดคือ เส้นใยนาโนเตรียมจากอินเดียมไนเตรทต่อนิกเกิลไนเตรทสัดส่วน 2:1 ร้อยละ 25 ของพอลิเมอร์ PAN ซึ่งมีพื้นที่ผิวจำเพาะเท่ากับ 277.49 m2/g และขนาดรูพรุนเฉลี่ย 2.43 nm ความหนาแน่นพลังงานและกำลัง 27 Wh/kg และ 498.4 W/kg ตามลำดับ ความหนาแน่นพลังงานเพิ่มขึ้นจากเส้นใยนาโนคาร์บอนบริสุทธิ์ประมาณ 18.4 % ที่ความหนาแน่นกระแส 1 A/g ขั้วไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุมีเสถียรภาพดีมากโดยค่าการเก็บประจุลดลงเหลือ 93 - 97 % จากค่าเริ่มต้น หลังทดสอบการอัดและคายประจุอย่างต่อเนื่อง 1000 รอบ

เส้นใยนาโนที่เตรียมจากอินเดียมไนเตรทต่อนิกเกิลไนเตรทสัดส่วน 1:1 2:1 และ1:2 แสดงพฤติกรรมความเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแบบอ่อน ที่อุณหภูมิห้อง (300 K) มีค่าแมกนีไทเซชันอยู่ในช่วง 0.015 – 428.18 memu/g ค่าแม่เหล็กหักล้าง 660.10 – 1927.72 Oe เส้นใยนาโนคาร์บอนบริสุทฺธิ์ PAN PAN:PVP (70:30) และ PAN:PVP (60:40) แสดงพฤติกรรมความเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแบบอ่อนมีค่าแมกนีไทเซชัน 7.70 - 144.24 memu/g ที่ค่าหักล้างแม่เหล็ก 949.61 - 2777.02 Oe อาจเป็นผลจากอะตอมของคาร์บอนในแกรไฟต์ที่มีอยู่จำนวนมากเกิดข้อบกพร่องเนื่องจากเกิดพันธะคาร์บอนโดดเดี่ยวในโครงสร้างและเกิดการควบคู่แบบแม่เหล็กเฟอโรของพันธะโดดเดี่ยวเหล่านั้น เส้นใยนาโนที่เตรียมจากอินเดียมไนเตรทต่อนิกเกิลไนเตรทสัดส่วน 2:1 ร้อยละ 20 และ 25 ของพอลิเมอร์ PAN แสดงพฤติกรรมความเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรแบบอ่อน มีค่าแมกนีไทเซชัน 12.12 และ105.60 memu/g ตามลำดับ ค่าแมกนีไทเซชันที่เพิ่มขึ้นอาจเป็นผลจากปริมาณของโลหะออกไซด์และขนาดของเส้นใยที่มีขนาดเล็ก เส้นใยนาโนที่เตรียมจากอินเดียมไนเตรทต่อนิกเกิลไนเตรทสัดส่วน 2:1 ร้อยละ 20 ในพอลิเมอร์ PVP มีค่าแมกนีไทเซชันสูงสุด เท่ากับ 428.18 memu/g งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าสามารถประดิษฐ์เส้นใยนาโนคาร์บอนและคาร์บอนผสมอินเดียมและนิกเกิลออกไซด์ มีความเป็นไปได้ในการนำไปประยุกต์ใช้สำหรับทำขั้วไฟฟ้าในตัวเก็บประจุไฟฟ้ายิ่งยวดหรืออุปกรณ์เก็บสะสมพลังงานอื่นๆ เนื่องจากสามารถประจุได้อย่างรวดเร็วและให้ค่าความหนาแน่นพลังงานสูง