Synthesis, characterization and electrochemical properties of iron doped phosphate tungsten heteropoly acid (Fe-PWA) and it’s bronze (Fe-PWB): Comparative study

Abstract

In this work, synthesized 12-tungstenphosphoric acid (H3PW12O40 × nH2O; PWA) was further ionically exchanged with Fe3+ ions, which led to the formation of the 12-tungstophosporic acid iron salt, (FePW12O40 × nH2O; Fe-PWA). Fe-PWA was then subjected to thermal analysis (TGA/DTA), determining the phase transition temperature of 576 °C from Fe-PWA to its corresponding phosphate tungsten bronze doped with iron, Fe-PWB. Using the X-ray powder diffraction (XRPD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and Scanning electron microscopy with an energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS) method, the obtained Fe-PWA and Fe-PWB were additionally characterized, and compared. Due to channels and cavities in their structures, Fe-PWA and Fe-PWB were next examined as electrode materials for aqueous rechargeable batteries. Electrochemical measurements were done in aqueous solutions of 6 M LiNO3 by cyclic voltammetry. Fe-PWA and Fe-PWB exhibit different redox processes, which are discussed thoroughly in this work. Electrochemical results are showing that within the Fe-PWA structure, more Li+ ions can be intercalated in the first discharge cycle, but consecutive cycling leads to a fast capacity fade. While the Fe-PWB redox process was stable during cycling, its specific capacity is limited by the material's poor electrical conductivity. Improvements in Fe-PWB conductivity must be addressed in future studies in order to boost material’s electrochemical performance.

У овом раду синтетисана је 12-волфрам фосфорна киселина (H3PW12О40 × nH2О; PWA), која је даље јонски допирана са Fe3+ јонима, што је довело до формирања соли гвожђа 12-волфрам фосфорне киселине Fe-PWA соли (FePW12О40×nH2О). Fe-PWA је затим испитан помоћу термијске анализе (TGA/DTА), фазни прелаз Fe-PWA одиграва се на температури од 576 oC, формирајући фосфат волфрамову бронзу допирану гвожђем Fe-PWB. Применом метода дифракције рендгенских зрака на праху, инфрацрвене спектроскопије са Фуријеовом трансформацијом и скенирајуће електронске микроскопије уз енергетску дисперзивну рендгенску спектроскопију, добијени Fe-PWB је додатно карактерисан, чиме је потврђена жељена структура. Због канала и шупљина у њиховим структурама, Fe-PWA и Fe-PWB су затим испитани као електродни материјали за пуњиве батерије. Електрохемијска мерења вршена су у воденим растворима 6М LiNО3 цикличном волтаметријом. Електрохемијски резултати показују да унутар структуре Fe-PWA, више Li+ јона може бити интеркалирано у првом циклусу пражњења, али даље циклирање доводи до брзог смањења капацитета. Док је редокс процес Fe-PWB био стабилан током циклирања, његов специфични капацитет је ограничен слабом електричном проводљивошћу материјала. Специфични капацитет Fe-PWB је скоро незнатан, па је неопходно оптимизовати његове физичко-хемијске особине како би се вредност његовог специфичног капацитета повећала. Побољшање проводљивости Fe-PWB биће истраживана у будућим студијама, како би се побољшале електрохемијске перформансе материјала.