Kim, Jaeram;Kwak, Sehyun;Pham, Hieu Quang;Jo, Hyuntak;Jeon, Do-Man;Yang, A-Reum;Song, Seung-Wan
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.13
no.2
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pp.269-278
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2022
Utilization of high-voltage electrolyte additive(s) at a small fraction is a cost-effective strategy for a good solid electrolyte interphase (SEI) formation and performance improvement of a lithium-rich layered oxide-based high-energy lithium-ion cell by avoiding the occurrence of metal-dissolution that is one of the failure modes. To mitigate metal-dissolution, we explored fluorinated dual-additives of fluoroethylene carbonate (FEC) and di(2,2,2-trifluoroethyl)carbonate (DFDEC) for building-up of a good SEI in a 4.7 V full-cell that consists of high-capacity silicon-graphite composite (15 wt% Si/C/CF/C-graphite) anode and Li1.13Mn0.463Ni0.203Co0.203O2 (LMNC) cathode. The full-cell including optimum fractions of dual-additives shows increased capacity to 228 mAhg-1 at 0.2C and improved performance from the one in the base electrolyte. Surface analysis results find that the SEI stabilization of LMNC cathode induced by dual-additives leads to a suppression of soluble Mn2+-O formation at cathode surface, mitigating metal-dissolution event and crack formation as well as structural degradation. The SEI and structure of Si/C/CF/C-graphite anode is also stabilized by the effects of dual-additives, contributing to performance improvement. The data give insight into a basic understanding of cathode-electrolyte and anode-electrolyte interfacial processes and cathode-anode interaction that are critical factors affecting full-cell performance.
An, Eui Gyeong;Choi, Sun Gi;Lee, Jaewon;Cho, Sung Ki
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.25
no.3
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pp.113-118
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2022
In this study, the effect of polyethylene glycol (PEG) on Cu electrodeposition was analyzed using cyclic voltammetry. The adsorption of PEG was affected by the specific adsorption of sulfate ion (SO42-) or chloride ion (Cl-). In SO42--based plating solution, the adsorption of PEG was limited by the adsorbed SO42-. Accordingly, the adsorbed PEG could suppress the electron transfer for Cu electrodeposition, but its effect was not significant. Meanwhile, in the plating solution composed of perchlorate ion (ClO4-) which does not specifically adsorb on Cu surface, a strong suppression effect of PEG was observed and it was proportional to the molecular weight of PEG. On the other hand, when Cl- was specifically adsorbed on Cu surface, the suppression effect of PEG was enhanced because PEG and Cl- formed an interrelated adsorbate. The synergetic effect of PEG and Cl- depended on the composition of the plating solution, which means that the synergy between PEG and Cl- is based on the physical interaction. For example, the hydrophobicity of PEG plays an important role in the interaction, as the suppression effect of PEG derivative having a hydrocarbon tail was further enhanced with the addition of Cl-.
The phase-shift method for determining the Langmuir, Frumkin, and Temkin adsorption isotherms ($\theta_H\;vs.\;E$) of H for the cathodic $H_2$ evolution reaction (HER) at a Pt/0.1 M KOH solution interface has been proposed and verified using cyclic voltammetric, differential pulse voltammetric, and electrochemical impedance techniques. At the Pt/0.1 M KOH solution interface, the Langmuir and Temkin adsorption isotherms ($\theta_H\;vs.\;E$), the equilibrium constants ($K_H=2.9X10^{-4}mol^{-1}$ for the Langmuir and $K_H=2.9X10^{-3}\exp(-4.6\theta_H)mol^{-1}$ for the Temkin adsorption isotherm), the interaction parameters (g=0 far the Langmuir and g=4.6 for the Temkin adsorption isotherm), the rate of change of the standard free energy of $\theta_H\;with\;\theta_H$ (r=11.4 kJ $mol^{-1}$ for g=4.6), and the standard free energies (${\Delta}G_{ads}^{\circ}=20.2kJ\;mol^{-1}$ for $k_H=2.9\times10^{-4}mol^{-1}$, i.e., the Langmuir adsorption isotherm, and $16.7<{\Delta}G_\theta^{\circ}<23.6kJ\;mol^{-1}$ for $K_H=2.9\times10^{-3}\exp(-4.6\theta_H)mol^{-1}$ and $0.2<\theta_H<0.8$, i.e., the Temkin adsorption isotherm) of H for the cathodic HER are determined using the phase-shift method. At intermediate values of $\theta_H$, i.e., $0.2<\theta_H<0.8$, the Temkin adsorption isotherm ($\theta_H\;vs.\;E$) corresponding to the Langmuir adsorption isotherm ($\theta_H\;vs.\;E$), and vice versa, is readily determined using the constant conversion factors. The phase-shift method and constant conversion factors are useful and effective for determining the Langmuir, Frumkin, and Temkin adsorption isotherms of intermediates for sequential reactions and related electrode kinetic and thermodynamic data at electrode catalyst interfaces.
The phase-shift method and correlation constants, i.e., the unique electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques for studying the linear relationship between the behavior ($-{\varphi}$ vs. E) of the phase shift ($90^{\circ}{\geq}-{\varphi}{\geq}0^{\circ}$) for the optimum intermediate frequency and that ($\theta$ vs. E) of the fractional surface coverage ($0{\leq}{\theta}{\leq}1$), have been proposed and verified to determine the Langmuir, Frumkin, and Temkin adsorption isotherms of H and related electrode kinetic and thermodynamic parameters at noble metal (alloy)/aqueous solution interfaces. At a Zr/0.2 M ${H_2}{SO_4}$ aqueous solution interface, the Frumkin and Temkin adsorption isotherms ($\theta$ vs. E), equilibrium constants (K = $1.401{\times}10^{-17}\exp(-3.5{\theta})mol^{-1}$ for the Frumkin and K = $1.401{\times}10^{-16}\exp(8.1{\theta})mol^{-1}$ for the Temkin adsorption isotherm), interaction parameters (g = 3.5 for the Frumkin and g = 8.1 for the Temkin adsorption isotherm), rates of change of the standard free energy (r = $8.7\;kJ\;mol^{-1}$ for g = 3.5 and r = $20\;kJ\;mol^{-1}$ for g = 8.1) of H with $\theta$, and standard free energies ($96.13{\leq}{\Delta}G^0_{\theta}{\leq}104.8\;kJ\;mol^{-1}$ for K = $1.401{\times}10^{-17}\exp(-3.5{\theta})mol^{-1}$ and $0{\leq}{\theta}{\leq}1$ and ($94.44<{\Delta}G^0_{\theta}<106.5\;kJ\;mol^{-1}$ for K = $1.401{\times}10^{-16}\exp(-8.1{\theta})mol^{-1}$ and $0.2<{\theta}<0.8$) of H are determined using the phase-shift method and correlation constants. At 0.2 < $\theta$ < 0.8, the Temkin adsorption isotherm correlating with the Frumkin adsorption isotherm, and vice versa, is readily determined using the correlation constants. The phase-shift method and correlation constants are probably the most accurate, useful, and effective ways to determine the adsorption isotherms of H and related electrode kinetic and thermodynamic parameters at highly corrosion-resistant metal/aqueous solution interfaces.
A series of carbon nanotube, $C_{60}$, and graphene modified $TiO_2$ nanocomposites were prepared by hydrothermal method. X-ray diffraction, $N_2$ adsorption, UV-Vis spectroscopy, photoluminescence, and Electrochemical impedance spectra were used to characterize the prepared composite materials The results reveal that incorporating $TiO_2$ with carbon materials can extend the adsorption edge of all the $TiO_2$-carbon nanocomposites to the visible light region. The photocatalytic activities were tested in the degradation of 2,4,6-trichlorophenol (TCP) under visible light. No obvious difference in essence was observed in structural and optical properties among three series of carbon modified $TiO_2$ nanocomposites. Three series of carbon materials modified $TiO_2$ composites follow the analogous tentative reaction mechanism for TCP degradation. GR modified $TiO_2$ nanocomposite exhibits the strongest interaction and the most effective interfacial charge transfer among three carbon materials, thus shows the highest electron-hole separation rate, leading to the highest photocatalytic activity and stability.
Magnesium alloys become popular research topic in last decade due to its light weight and relatively high strength-to-weight ratio in the energy aspiration age. Almost all structure materials are supposed to suspend stress. Magnesium is quite sensitive to corrosive environment, and also sensitive to environmental assisted cracking. However, so far we have the limited knowledge about the environmental sensitive cracking of magnesium alloys. The corrosion fatigue (CF) test was conducted. Many factors' effects, like grain size, texture, heat treatment, loading frequency, stress ratio, strain rate, chemical composition of environment, pH value, relative humidity were investigated. The results showed that all these factors had obvious influence on the crack initiation and propagation. Especially the dependence of CF life on pH value and frequency is quite different to the other traditional structural metallic materials. In order to interpret the results, the electrochemistry tests by polarization dynamic curve and electrochemical impedance spectroscopy were conducted with and without stress. The corrosion of magnesium alloys was also studied by in-situ observation in environmental scanning electron microscopy (ESEM). The corrosion rate changed with the wetting time during the initial corrosion process. The pre-charging of hydrogen caused crack initiated at $\beta$ phase, and with the increase of wetting time the crack propagated, implying that hydrogen produced by corrosion reaction participated in the process.
CO-tolerant PtMo/C alloy electrocatalyst was prepared by a colloidal method, and its electrocatalytic activity toward CO oxidation was investigated. Electrochemical study revealed that the alloy catalyst significantly enhanced catalytic activity toward the electro-oxidation of CO compared to Pt/C counterpart. Cyclic voltammetry suggested that Mo plays an important role in promoting CO electro-oxidation by facilitating the formation of active oxygen species. The effect of Mo on the electronic structure of Pt was investigated using X-ray absorption spectroscopy to elucidate the synergetic effect of alloying. Our in-depth spectroscopic analysis revealed that CO is less strongly adsorbed on PtMo/C catalyst than on Pt/C catalyst due to the modulation of the electronic structure of Pt d-band. Our investigation shows that the enhanced CO electrooxidation in PtMo alloy electrocatalyst is originated from two factors; one comes from the facile formation of active oxygen species, and the other from the weak interaction between Pt and CO.
The complex formation between diazocalix[4]dipropyl (1) and diazocalix[4]crown-6 ether (2) with alkali, alkaline earth and transition metal ions was investigated by voltammetry. Electrochemical properties of compounds 1 and 2 and their selectivity toward metal ions were evaluated in $CH_3CN$ solution by comparison of voltammetric behaviors of two phenols in each compound. Compounds 1 and 2 showed almost same voltammetric behavior which is two irreversible oxidation peaks caused by intramolecular hydrogen bonding between two phenols in 1 and 2. While, however, upon interacting with various metal ions, 1 with two propyl ether groups showed no significant changes in voltammetry, 2 with crown ether group caused significant voltammetric changes upon the addition of $Ba^{2+}$ to 2. Their behavior is closely related to the complex formation by entrapment of metal ion into crown ether cavity, and ion-dipole interaction between metal ion and two phenolic groups in calix[4]crown-6.
The surface structure and electrochemical behavior of self-assembled monolayers (SAMs) prepared from benzenethiol (BT), cyclohexanethiol (CHT), and cyclopentanethiol (CPT) on Au(111) surface were examined by scanning tunneling microscopy (STM) and cyclic voltammetry (CV) to understand the influence of thiol molecular backbone structure on the formation and reductive desorption behavior of SAMs. STM imaging showed that BT and CPT SAMs on Au(111) surface formed at room temperature were mainly composed of disordered domains, whereas CHT SAMs were composed of well-ordered domains with three orientations. From these STM results, we suggest that molecule-substrate interaction is a key parameter for determining the structural order and disorder of simple aromatic and alicyclic thiol SAMs on Au(111). In addition, the reductive desorption peak potential for BT SAMs with aromatic rings was observed at a less negative potential of -566 mV compared to CHT SAMs (-779 mV) or CPT SAMs (-775 mV) with aliphatic cyclic rings. This reductive desorption behavior for BT SAMs is due to the presence of p-orbitals on the aromatic rings, which promote facile electron transfer from the Au electrode to BT as compared to CHT and CPT. We also confirmed that the reductive desorption behavior for simple alicyclic thiol SAMs such as CHT and CPT SAMs on Au electrodes was not significantly influenced by the degree of structural order.
Structually organized mono- and multilayers were developed on gold for the catalytic and affinity biosensing using hyper-branched dendrimers. For the catalytic biosensing interface, a new approach to construct a multilayered enzyme film on the electrode surface was developed. The film was prepared by layer-by-layer depositions of dendrimers and periodate-oxidized glucose oxidase. The voltammograms obtained from the GOx/dendrimer multilayered electrodes revealed that bioelectrocatalytic response is directly correlated to the number of deposited bilayers. From the analysis of voltammetric and ellipsometric signals, the coverage of active enzyme per layer during the layering steps was estimated, demonstrating the spatially-ordered multilayer formation. As an extension of the study, dendrimers having various degrees of ferrocenyl modification were prepared and used. The resulting electrodes were electrochemically characterized, and the density of ferrocenyl groups, active enzyme coverage, and sensitivity were estimated. For the affinity-sensing surrface, a biosensor system based on avidin-biotin interaction was developed. As the building block of affinity monolayer, G4 dendrimer having partial ferrocenyl-tethered surface groups was prepared and used. And the biotinylated and electroactive dendritic monolayer was used for the affinity-sensing surface interacting with avidin. Electrochemical characterization of the resulting biosensor was conducted using free enzyme in electrolyte in terms of degree of surface coverage with avidin and subsequent surface shielding.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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