Unveiling the Influence of Water Molecules on the Structural Dynamics of Prussian Blue Analogues

普鲁士蓝 分子 拉曼光谱 单斜晶系 空位缺陷 材料科学 离子 水溶液 电化学 化学物理 结晶学 晶体结构 无机化学 化学 物理化学 电极 有机化学 物理 光学
作者
K. Sada,Samuel M. Greene,Steven Kmiec,Donald J. Siegel,Arumugam Manthiram
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:13
标识
DOI:10.1002/smll.202406853
摘要

Abstract 3D‐framework Prussian blue analogues (PBAs) are appealing as a cost‐effective, sustainable cathodes for Na‐ion batteries. However, the aqueous‐based synthesis of PBAs inherently introduces three different forms of water molecules (surface, interstitial and crystal) into the structure. Removal of water molecules causes phase transformation from monoclinic (M) to rhombohedral (R). This work presents the effects of water molecules on the structure before the phase transformation temperature, employing two promising PBA cathodes, Na 2 Fe[Fe(CN) 6 ]·1.69H 2 O and Na 2 Mn[Fe(CN) 6 ]·1.76H 2 O. Specifically, the water molecules impact the molecular interactions at the local structure and the electrochemical properties. This work has performed calculations on low‐vacancy Na 2 M[Fe(CN) 6 ] PBAs (where M = Mn, Fe, Co, Ni and Cu) to understand the dehydration energy. Employing in situ high‐temperature X‐ray diffraction and Raman spectroscopy, this work observes that water removal induces negative thermal expansion and stronger interactions between C≡N and Na ions, resulting in biphasic reactions with sluggish kinetics. Additionally, water molecules play a role in maintaining the open 3D tunnels and facilitating a solid‐solution like insertion of Na ions. Calculated phonon‐Raman spectra provide insights into cyanide group deformations, revealing the interactions between water molecules, alkali‐ions, and transition‐metal ions. This study enhances the understanding of the relationship among electronic, vibrational, and electrochemical properties.
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