Thermodynamic and Kinetic Analyses of Ion Intercalation/Deintercalation Using Different Temperatures on NiHCF Electrodes for Battery Electrode Deionization

插层(化学) 普鲁士蓝 化学 无机化学 吸热过程 吸附 活化能 电极 扩散 电化学 离子 物理化学 热力学 有机化学 物理
作者
Le Shi,Xiangyu Bi,Evan Newcomer,Derek M. Hall,Christopher A. Gorski,Bruce E. Logan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (12): 8932-8941 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c01586
摘要

Prussian blue analogues are used in electrochemical deionization due to their cation sorption capabilities and ion selectivity properties. Elucidating the fundamental mechanisms underlying intercalation/deintercalation is important for the development of ion-selective electrodes. We examined the thermodynamic and kinetic properties of nickel hexacyanoferrate electrodes by studying different temperatures effects on intercalation/deintercalation with monovalent ions (Li+, Na+, K+, and NH4+) relevant to battery electrode deionization applications. Higher temperatures reduced the interfacial charge transfer resistance and increased the diffusion coefficient of cations in the solid material. Ion transport in the solid material, rather than interfacial charge transfer, was found to be the rate-controlling step, as shown by higher activation energies for ion transport (e.g., 31 ± 3 kJ/mol for K+) than for interfacial charge transfer (5 ± 1 kJ/mol for K+). The largest increase in cation adsorption capacity with temperature was observed for NH4+ (28.1% from 15 to 75 °C) due to its smallest activation energy. These results indicate that ion hydration energy determines the intercalation potential and activation energies of ion transport in solid material control intercalation/deintercalation rate. Together with the endothermic behavior of deintercalation and exothermic behavior of intercalation, the higher operating temperature results in improvement of ion adsorption capacity depending on specific cations.
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