Name: Sintesi di nanoparticelle metalliche supportate su nanotubi di carbonio con atomi di Co e N drogati e sue applicazioni catalitiche nella produzione di idrogeno (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-12-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 40 s
Description: Scopri la sintesi di nanoparticelle di cobalto su nanotubi di carbonio drogati con Co e N per la produzione di idrogeno. Questo catalizzatore efficiente e stabile offre soluzioni innovative per le applicazioni energetiche rinnovabili.

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Questo lavoro è stato interamente finanziato dall'Hong Kong University Grants Committee - Institutional Development Scheme (IDS) Collaborative Research Grant, numero di sovvenzione UGC / IDS (C) 14 / B (E) 01 / 19, il Faculty Development Scheme (FDS), numero di sovvenzione UGC / FDS25 / E08 / 20 e parzialmente finanziato dallo Schema di sviluppo istituzionale (IDS), numero di sovvenzione UGC / IDS (R) 25/20.
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ATTENZIONE: Si consiglia ai lettori di controllare attentamente le proprietà e la tossicità delle sostanze chimiche descritte in questo documento per la corretta manipolazione delle sostanze chimiche dalle pertinenti schede di sicurezza dei materiali (MSDS). Alcune delle sostanze chimiche utilizzate sono dannose per la salute e devono essere prese particolari precauzioni. L'impatto dei nanomateriali sulla salute umana non è noto e potrebbe comportare rischi per la sicurezza e la salute. L'inalazione e il contatto attraverso la pelle con questi materiali devono essere evitati. Devono inoltre essere prese precauzioni di sicurezza, quali il rilascio dei gas di scarico durante la sintesi del catalizzatore nella cappa aspirante e la valutazione delle prestazioni del catalizzatore con un'adeguata ventilazione dell'idrogeno gassoso. Si consiglia di indossare sempre i dispositivi di protezione individuale. L'idrogeno è un gas potenzialmente esplosivo con un intervallo di infiammabilità molto ampio dal 4% al 74% nell'aria. Prestare attenzione per consentire all'idrogeno gassoso di fluire correttamente nell'atmosfera.
1. Sintesi dei materiali melem-C 3N4
<ol><li>Pesare 280 g di diciandiammide (densità = 1,4 g·cm-3) in un becher da 800 ml.</li>
	<li>Collocare il becher con il solido di cui sopra in un forno a muffola e aumentare lentamente la temperatura da temperatura ambiente a 350 °C con una rampa di 5 °C·min-1.</li>
	<li>Mantenere la temperatura a 350 °C per 2 ore, raffreddare il forno mediante raffreddamento naturale.</li>
	<li>Macinare i solidi bianchi ottenuti in polvere fine come i materiali C3N4 sotto forma di melem (DCD-350). NOTA: La resa è di 175 g.</li>
</ol>2. Ricottura delle miscele melem-C 3N4 e Co(acac)2 a diverse temperature
<ol><li>Mescolare 10,0 g di melem-C 3 N 4 con 0,218 g di Co(acac)2 [Co : melem-C3N4 = 1:200 (rapporto peso)]. Macinare e mescolare i due solidi fino a quando non si osserva il colore omogeneo.</li>
	<li>Aggiungere 6 mL di soluzione di acido citrico (acqua: etanolo = 1:1, acido citrico = 10 g· L-1) alla miscela omogenea e macinare ulteriormente i materiali.</li>
	<li>Asciugare i materiali in forno a 60 °C per 6 ore.</li>
	<li>Mettere i materiali in un crogiolo di forma quadrata e poi metterlo in un forno tubolare.</li>
	<li>Riscaldare i materiali ad una velocità di riscaldamento di 2,6 °C·min-1 da temperatura ambiente a 800 °C e conservare per 2 ore sotto un flusso Ar di 100 mL·min-1.</li>
	<li>Raffreddare lentamente il forno mediante raffreddamento naturale.</li>
	<li>Pesare i campioni del catalizzatore. Qui, la resa era di 0,65 g.</li>
</ol>3. Misurazione del rilascio di idrogeno dall'idrolisi del borano ammoniacale
<ol><li>Impostare il sistema di cilindri invertiti riempiti d'acqua (figura supplementare 1).</li>
	<li>Impostare la soluzione di lavaggio 0,1 M H2SO4 .</li>
	<li>Collegare il pallone Schlenk con la soluzione di lavaggio e il cilindro rovesciato riempito d'acqua.</li>
	<li>Impostare la temperatura del bagno d'acqua a 40 °C.</li>
	<li>Introdurre 0,04 g del catalizzatore nel matraccio di Schlenk.</li>
	<li>Preparare una soluzione di borano ammoniacale in acqua, con 0,04 g di borano ammoniacale in 0,948 ml di acqua (concentrazione = 0,04 g·mL-1).</li>
	<li>Iniettare 1 mL della soluzione di NH 3 BH3(40 mg·mL-1) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
	<li>Monitorare il calo del livello dell'acqua mentre la reazione procede. Registrare attentamente il volume di produzione in orari designati, ad esempio ogni intervallo di 5 secondi.</li>
	<li>Tracciare il grafico del volume della produzione di H2 rispetto al tempo in minuti.</li>
</ol>4. Studi cinetici
<ol><li>Determinazione dell'energia di attivazione<ol><li>Impostare la temperatura a bagnomaria a 40 °C.</li>
		<li>Introdurre 0,04 g del catalizzatore e 10 ml di acqua nel matraccio di Schlenk e immergere nel bagnomaria. Sonicare la soluzione a 40 kHz in un bagno ad ultrasuoni per 6 minuti.</li>
		<li>Iniettare 1 mL della soluzione di NH 3 BH3(40 mg·mL-1) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
		<li>Registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno.</li>
		<li>Ripetere i punti 4.1.1-4.1.4 impostando la temperatura del bagno d'acqua a 35 °C.</li>
		<li>Ripetere l'esperimento di cui sopra a 30 °C e 25 °C, rispettivamente.</li>
		<li>Tracciare la costante di frequenza specifica rispetto al tempo su un grafico utilizzando l'equazione seguente. Un grafico di ln k e 1/T dovrebbe produrre una linea retta. <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62965/62965eq01.jpg"> dove ko denota la costante di velocità specifica (mol H 2·g Co-1·min-1), R è la costante ideale del gas (8,314 kJ·mol-1), T rappresenta la temperatura di reazione (K) e A è il fattore pre-esponenziale (mol H2 gCo-1·min-1).</li>
	</ol></li>
	<li>Determinazione della frequenza di rotazione e del tasso specifico di generazione di idrogeno<ol><li>Calcola la frequenza di rotazione secondo la seguente equazione: <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/62965/62965eq02.jpg"> dove nH2 è le moli dell'idrogeno prodotto, Δt è il tempo necessario per il rilascio completo dell'idrogeno e nM è la quantità molare di metallo nel catalizzatore.</li>
		<li>Calcolare il tasso specifico di generazione di idrogeno secondo la seguente equazione42,43: <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/62965/62965eq03.jpg"> Dove ΔVH2 è il volume di idrogeno prodotto, t è il tempo necessario per le fasi iniziali e stabilizzanti (ad esempio, il tempo in cui 70 ml di idrogeno generato per 40 mg di borano di ammoniaca, il tempo in cui 140 ml di idrogeno generato per 80 mg di borano di ammoniaca) e ωM è la massa di metallo nel catalizzatore.</li>
	</ol></li>
	<li>Determinazione della relazione tra [borano di ammoniaca] e velocità di reazione<ol><li>Impostare la temperatura a bagnomaria a 40 °C.</li>
		<li>Introdurre 40 mg del catalizzatore e 10 ml di acqua nel matraccio Schlenk e immergere nel bagnomaria. Sonicare la soluzione a 40 kHz in un bagno ad ultrasuoni per 6 minuti.</li>
		<li>Iniettare 1 mL della soluzione di NH 3 BH3(40 mg·mL-1) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
		<li>Registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno.</li>
		<li>Ripetere il punto 4.3.3 iniettando 2 mL della soluzione di NH 3 BH3(cioè 80 mg per 2 ml) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
		<li>Ripetere le fasi 4.3.1-4.3.4 rispettivamente con 0,5 mL e 0,25 mL della soluzione di NH 3 BH3(40 mg/ml) per registrare il tempo necessario per il completamento del rilascio di idrogeno.</li>
		<li>Calcolare la velocità di reazione secondo la seguente equazione44: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/62965/62965eq04.jpg"> dove ΔmlH2 è il volume di idrogeno prodotto, Δt è il tempo richiesto per 70 mL di rilascio di idrogeno.</li>
		<li>Tracciare il tasso di ln rispetto a ln [borano di ammoniaca] e determinare la pendenza del grafico.</li>
	</ol></li>
	<li>Determinazione del rapporto tra [catalizzatori] e velocità di produzione<ol><li>Impostare la temperatura a bagnomaria a 40 °C.</li>
		<li>Introdurre 40 mg del catalizzatore e 10 ml di acqua nel matraccio Schlenk e immergere nel bagnomaria. Sonicare la soluzione a 40 kHz in un bagno ad ultrasuoni per 6 minuti.</li>
		<li>Iniettare 1 mL della soluzione di NH 3 BH3(40 mg·mL-1) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
		<li>Registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno.</li>
		<li>Ripetere le fasi 4.4.1-4.4.4 variando la quantità di catalizzatore (20 mg, 40 mg, 60 mg, 80 mg) e iniettare 1 mL della soluzione di NH 3 BH3(cioè 40 mg·mL-1) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
		<li>Registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno per l'utilizzo delle varie quantità di catalizzatore di cui sopra.</li>
		<li>Calcolare la velocità di reazione secondo la seguente equazione44: <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/62965/62965eq04.jpg"> dove ΔmlH2 è il volume di idrogeno prodotto, Δt è il tempo richiesto per 70 mL di rilascio di idrogeno.</li>
		<li>Tracciare la velocità ln rispetto a ln[catalizzatore] e determinare la pendenza del grafico.</li>
	</ol></li>
</ol>5. Test delle prestazioni ciclistiche
<ol><li>Impostare la temperatura a bagnomaria a 40 °C.</li>
	<li>Introdurre 0,04 g del catalizzatore e 10 ml di acqua nel matraccio di Schlenk e immergere nel bagnomaria. Sonicare la soluzione a 40 kHz in un bagno ad ultrasuoni per 6 minuti.</li>
	<li>Iniettare 1 mL della soluzione di NH 3 BH3(40 mg·mL-1) nel reattore per avviare la reazione di idrolisi.</li>
	<li>Registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno.</li>
	<li>Filtrare il catalizzatore, lavarlo con acqua (5 ml) tre volte, quindi asciugare il catalizzatore nel forno (60 °C) per 3 ore.</li>
	<li>Posizionare il catalizzatore in 10 ml di acqua e sonicare la soluzione a 40 kHz in un bagno ad ultrasuoni.</li>
	<li>Ripetere i passaggi 5.1.3-5.1.5 per dieci volte.</li>
	<li>Tracciare rispettivamente il volume di produzione di idrogeno, il TOF e il tasso di generazione specifico rispetto ai cicli.</li>
</ol>6. Esperimento di lisciviazione per NP metalliche per ottenere SA di metallo puro CNT
<ol><li>Impostare la temperatura del bagno d'olio a 80 °C.</li>
	<li>Introdurre 0,15 g del catalizzatore e 50 ml di 0,5 M H2SO4 nel matraccio di Schlenk e immergere nel bagno d'olio.</li>
	<li>Mescolare la reazione per 2 ore.</li>
	<li>Filtrare il solido utilizzando un imbuto Buchner e lavare il solido con acqua deionizzata (3x in 10 ml ciascuno). Diluire ulteriormente il percolato a 250 ml in un matraccio tarato da 250 ml.</li>
	<li>Raccogliere i solidi lisciviati con nanoparticelle metalliche (che contengono solo CNT codrogati) e asciugarli a 60 °C in un forno.</li>
</ol>7. Determinazione del contenuto di metalli mediante spettroscopia di emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente (ICP-OES)
<ol><li>Determinazione del tenore totale di cobalto metallico<ol><li>Introdurre circa 0,02 g di catalizzatore preparato dalla sezione 2 in 50 ml di soluzione acida 2 M (HCl: HNO 3 = rapporto mole3:1)45,46 in un'autoclave in acciaio inossidabile rivestita in politetrafluoroetilene.</li>
		<li>Inserire il contenitore rivestito in politetrafluoroetilene nella bomba in acciaio inossidabile e fissare il tappo.</li>
		<li>Mettere la bomba in un forno, impostare la temperatura a 180 °C e riscaldare la bomba per 12 ore.</li>
		<li>Rimuovi la bomba e svuota il contenuto. Filtrare il solido e diluire il soluto in un matraccio tarato da 250 mL con 200 mL di acqua deionizzata. NOTA: Lo scopo della diluizione è quello di regolare la concentrazione dei campioni ICP, che si inseriranno nell'intervallo di concentrazione standard del metallo, cioè 0-40 ppm.</li>
		<li>Eseguire il test ICP-OES della soluzione e calcolare la quantità totale di Co in wt%.</li>
	</ol></li>
	<li>Determinazione del contenuto di atomi di cobalto sul CNT<ol><li>Introdurre circa 0,02 g di catalizzatore preparato dal punto 6.5 in 50 ml di soluzione acida 2 M (HCl: HNO 3 = rapporto mole3:1)45,46 in un'autoclave in acciaio inossidabile rivestita in politetrafluoroetilene.</li>
		<li>Posizionare il contenitore rivestito in politetrafluoroetilene nella bomba in acciaio inossidabile e fissare il tappo.</li>
		<li>Mettere la bomba in un forno, impostare la temperatura a 180 °C e riscaldare la bomba per 12 ore.</li>
		<li>Rimuovi la bomba e svuota il contenuto. Filtrare il solido e diluire il soluto in un matraccio tarato da 250 mL con 200 mL di acqua deionizzata. NOTA: Lo scopo della diluizione è quello di regolare la concentrazione dei campioni ICP, che si inseriranno nell'intervallo di concentrazione standard del metallo, cioè 0-40 ppm.</li>
		<li>Eseguire il test ICP-OES della soluzione e calcolare la quantità di contenuto di atomi di Co in wt%.</li>
	</ol></li>
	<li>Determinazione del contenuto di nanoparticelle di cobalto (NP)<ol><li>La differenza tra il tenore di metalli di 7.1.5 e 7.2.5 è la percentuale in peso di Co NP.</li>
	</ol></li>
</ol>

Non abbiamo nulla da rivelare.

Il metodo della pirolisi è diventato una delle potenti strategie nella sintesi di nanomateriali unidimensionali su vari supporti solidi drogati con eteroatomi con dimensioni controllate di NP. Ad esempio, la strategia di pirolisi confinata nel nanospazio è stata riportata da Guo et al.56. In breve, i MWCNT pretrattati, il cobalto e i precursori del fosforo sono stati pirolizzati a 800 °C sotto l'atmosfera di N2 e le NP CoP supportate su N-CNT possono essere ottenute. La presenza dei mic...

Lo sviluppo di catalizzatori a basso costo e altamente efficienti per la produzione di energia rinnovabile rimane uno dei problemi più critici e impegnativi per alleviare la crisi energetica. Tuttavia, è lontano dalle applicazioni pratiche a causa di diverse preoccupazioni, come metodi di produzione su larga scala con prestazioni affidabili, costi di produzione elevati e stabilità di lunga data per prolungare la durata dei catalizzatori. I settori industriali, come i trasporti e la logistica, richiedono la produzione di energia per veicoli e attrezzature con lunghe ore di funzionamento, alimentazione energetica ad alta potenza e tempi di rifornimento minimi per ottenere operazioni efficienti 1,2,3. Pertanto, le strategie efficaci sono state ampiamente sfruttate per affrontare le sfide tecniche di cui sopra. Ad esempio, regolando la struttura elettronica dei siti attivi metallici e dei supporti del catalizzatore, progettando l'architettura specifica dei nano-catalizzatori metallici, regolando le composizioni metalliche, modificando il gruppo funzionale del supporto ancorato e variando la morfologia per aumentare il numero di siti attivi intrinseci. Negli ultimi decenni, le nanoparticelle (NP) hanno dominato i campi di varie catalisi eterogenee e le attività catalitiche possono essere efficacemente regolate variando le dimensioni delle NP. Solo fino a pochi anni fa, i catalizzatori a singolo atomo (SAC) altamente dispersi sono emersi per avere eccellenti proprietà nei confronti di molte reazioni catalitiche grazie alla loro struttura elettronica unica e all'ambiente di coordinazione. In particolare, i SAC hanno già dimostrato prestazioni superiori nella conversione dell'energia come reazioni elettrochimiche (HER, ORR, OER) e sistemi energetici elettrochimici (ad esempio, supercondensatori, batterie ricaricabili)4,5,6. Mentre sia le NP che le SAC hanno i loro rispettivi vantaggi e limiti nelle applicazioni catalitiche, esistono reazioni che richiedono sia NP che SAC per aumentare la reattività catalitica. Ad esempio, le NP Ru supportate sulla sovrastruttura di nanotubi di carbonio drogati con N e N potrebbero facilitare l'elevata ossidazione catalitica dell'aria umida dell'acido acetico7. Questo effetto sinergico è stato dimostrato anche dai catalizzatori Pd1+NPs/TiO2 per l'idrogenazione altamente selettiva di chetoni e aldeidi a temperatura ambiente8. Al fine di accelerare il campo della catalisi sinergica delle NP e delle SAC ed esplorare di più sulle loro applicazioni catalitiche, è altamente auspicabile un modo semplice di sintesi del catalizzatore e l'introduzione di carichi elevati del sito attivo disperso atomicamente rimane una sfida a causa dell'elevata tendenza all'aggregazione dei SAC9.
Diversi metodi sono stati utilizzati per sintetizzare SAC per applicazioni nell'idrogenazione di nitroareni10, reazione di riduzione dell'ossigeno e reazione di evoluzione dell'idrogeno 11,12, batterie al litio-ossigeno13. La strategia più comune è l'approccio bottom-up, in cui i precursori metallici sono stati assorbiti, ridotti e immobilizzati sui difetti del supporto corrispondente. I complessi metallici mononucleati potrebbero anche essere prima attaccati al gruppo funzionale di supporti, seguiti dalla successiva rimozione dei leganti organici, creando così siti metallici attivi per il processo catalitico. La deposizione dello strato atomico (ALD) è probabilmente la procedura più frequentemente utilizzata per la fabbricazione bottom-up depositando un sottile strato di pellicola sul substrato con esposizione ripetuta di reagenti. Sebbene la dimensione del catalizzatore potesse essere controllata con precisione e la reattività potesse essere notevolmente migliorata14, la purezza del substrato era piuttosto esigente e il carico del metallo era relativamente basso, con conseguenti elevati costi di produzione per applicazioni pratiche. Vari metodi come l'impregnazione diretta, la co-precipitazione e la deposizione-precipitazione, sono stati impiegati per immobilizzare le nanoparticelle metalliche sulle superfici di supporto, come l'ossido metallico e il nitruro, attraverso effetti di carica superficiale. Tuttavia, l'aumento del carico di metallo di solito porta a una significativa agglomerazione e formazione di cluster degli atomi metallici o delle nanoparticelle. Pertanto, di solito, è necessaria una soluzione metallica molto diluita, portando così a bassi carichi di SAC dei catalizzatori15. Ligandi amminici come la fenantrolina sono stati impiegati per sottoporsi a pirolisi con precursori metallici per preparare catalizzatori metallici dispersi atomicamente con siti attivi Co-Nx altamente attivi per la deidrogenazione selettiva dell'acido formico. Tuttavia, il carico di metallo era relativamente basso (2-3 wt%) a causa del numero limitato di atomi di N disponibili nei precursori amminici16.
Negli ultimi decenni, l'idrogeno è stato considerato come una potenziale alternativa per sostituire i combustibili fossili o gli idrocarburi, come carbone, gas naturale e benzina, a causa del vantaggio delle emissioni zero del primo. Fino ad ora, circa il 94% dell'idrogeno commerciale è ancora prodotto dal processo di reforming dei combustibili fossili, in cui il processo rilascia una grande quantità di gas serra.17. Pertanto, la produzione di idrogeno da risorse rinnovabili come l'elettrolisi dell'acqua è un modo per risolvere il problema delle risorse fossili esaurite e delle gravi emissioni di carbonio. Tuttavia, la bassa efficienza di produzione di idrogeno ha ostacolato le loro applicazioni più ampie. Pertanto, per superare questa barriera di energia cinetica per la scissione dell'acqua, negli ultimi dieci anni sono stati scoperti numerosi elettrocatalizzatori efficienti.18. Un altro problema è il problema dello stoccaggio dovuto alla natura gassosa ed esplosiva dell'idrogeno gassoso in condizioni ambientali. I metodi di stoccaggio fisico come la compressione richiederanno che l'idrogeno sia compresso fino a 700-800 bar e lo stoccaggio criogenico mediante liquefazione richiederà una bassa temperatura a -253 °C19. Sebbene i veicoli a celle a combustibile a idrogeno commercializzati siano stati dimostrati con successo, il problema dello stoccaggio deve ancora essere risolto se la tecnologia deve essere utilizzata in applicazioni più ampie, come dispositivi miniaturizzati e mini-celle a combustibile. Pertanto, i metodi di stoccaggio dell'utilizzo di materiali chimici H sono stati uno dei punti focali nella ricerca sull'energia dell'idrogeno. Alcuni esempi di materiali chimici di stoccaggio H sono l'ammoniaca borano (AB)20, acido formico (FA)21, gas ammoniaca22, alanato di sodio23e idruro di magnesio24. Tra questi, AB ha un basso peso molecolare (30,7 g·mol-1), elevate densità gravimetriche e volumetriche (196 gH2·kg-1 e 146 gH2· L-1, rispettivamente). Inoltre, è un composto stabile all'aria e all'umidità, non tossico e altamente solubile in acqua. Le nanoparticelle metalliche su vari materiali supportati sono state ampiamente utilizzate per rilasciare i tre equivalenti dell'idrogeno da AB, come catalizzatori a base di platino (Pt-), palladio (Pd-), rutenio (Ru-), cobalto (Co-) e nichel (Ni-). I catalizzatori eterogenei co-based supportati su materiali in carbonio stanno attirando molta attenzione soprattutto grazie al loro basso costo, all'elevata abbondanza e alla facilità di recupero. Sono state riportate diverse strategie sintetiche, come le NP di Co supportate su ossido di grafene decorato con polietilenimina ramificato.25. La struttura 3D con un'ampia superficie garantisce la stabilizzazione delle NP Co mantenendosi nell'intervallo dimensionale di 2-3 nm e ha impedito l'aggregazione delle NP. Un'altra strategia è quella di utilizzare materiali di carbonio drogati con N per supportare Co NP con piccole dimensioni. Utilizzo di Co(salen)26 e Co-MOF27 (struttura organica metallica) come precursori, sono stati preparati rispettivamente NP Co di 9,0 nm e 3,5 nm supportati su materiali porosi di carbonio drogati con azoto. La stabilità verso l'idrolisi AB è elevata e la reattività può mantenere oltre il 95% dell'attività iniziale dopo 10 cicli di reazione. Recentemente, catalizzatori con micro/nanostrutture cave sono stati sfruttati per l'idrolisi AB. Questi materiali sono convenzionalmente preparati con metodi idrotermali e sono stati ampiamente utilizzati per batterie agli ioni di litio, supercondensatori, sensori chimici e ricerca sulla catalisi eterogenea. Pertanto, la sinergia rame-cobalto verso l'idrolisi AB è stata dimostrata dal CuMoO cavo4-CoMoO428, che dà un TOF elevato di 104,7 min-1. Altri esempi altamente dipendenti dalla struttura includono il guscio centrale CuO-NiO/Co3O429, il CoxCu1−xCo2O4@CoyCu1−yCo2O4 Tipo di tuorlo30, e il Ni0.4Cu0.6Co2O4 nanoarray31 sono risultati anche attivi verso l'idrolisi AB. Un altro tipo di materiali emergenti noti come catalizzatori eterostrutturati, come MXeni e doppi idrossidi stratificati (LDH), sono sempre più sfruttati per la reazione elettrocatalitica e fotocatalitica32,33,34,35. Questi materiali come il doppio idrossido stratificato di NiFe36,37 e i materiali CoB-N con eterointerfacce di boruro di carbonio-cobalto drogati con N38 sono particolarmente attivi per l'evoluzione dell'ossigeno e la reazione di riduzione. In linea di principio, potrebbero essere ulteriormente sfruttati per le reazioni di evoluzione dell'idrogeno da materiali di stoccaggio dell'idrogeno come il borano dell'ammoniaca.39. Massimizzare l'interazione tra i catalizzatori e i substrati è anche un'altra strategia per l'idrolisi AB. Chiang et al. hanno utilizzato il gruppo ossido di superficie dell'ossido di grafene per formare una specie complessa iniziata con AB40, quindi Ni0.8Pt0.2/GO e rGO hanno dimostrato un'eccellente reattività verso l'idrolisi AB. L'uso di α-MoC come supporto per catalizzatori bimetallici Co e Ni ha assistito l'attivazione delle molecole d'acqua e ha raggiunto un elevato TOF verso l'idrolisi AB, che è quattro volte superiore al catalizzatore Pt/C commerciale41.
Sfruttando l'elevato contenuto di N della diciandiammide e dei relativi materiali C3N4 , viene presentato un protocollo per ottenere una facile sintesi di NP di cobalto supportate da nanotubi di carbonio drogati con Co- e N altamente dispersi. La graduale formazione in situ di Co NP dal Co atomicamente disperso durante la pirolisi dei materiali C3N4 assicura che 1) i Co NP e i Co droganti siano altamente dispersi; 2) Le NP di Co possono essere fortemente ancorate sui supporti di carbonio drogato e 3) le dimensioni delle NP di Co possono essere attentamente controllate dalla temperatura e dal tempo della pirolisi. Il Co/Co-N-CNT preparato as-eat, come risultato delle NP Co fortemente ancorate e della capacità dei Co droganti di abbassare l'energia di adsorbimento delle molecole d'acqua, è risultato avere una stabilità superiore verso l'idrolisi di AB per la produzione di idrogeno. I dettagli del protocollo sintetico dei catalizzatori e la misurazione della produzione di idrogeno saranno il punto focale di questo rapporto.

<table><tbody><tr><td>Diciandiammide</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D76609</td><td></td></tr><tr><td>Complesso borano-ammoniaca</td><td>Aladino</td><td>B131882-100 g</td><td></td></tr><tr><td>Acido citrico, 99%</td> <td>Sigma Aldrich</td><td>C0759</td><td></td></tr><tr><td>Soluzione standard di cobalto metallico, tracciabile a SRM da NIST Co(NO3)2 in HNO3 0,5 mol/l 1000 mg/l Co Certipur</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1.19785</td><td></td></tr><tr><td>Acetilacetonato di cobalto (II), &ge; 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>727970</td><td></td></tr><tr><td>Acido cloridrico, reagente</td><td>ACS Sigma Aldrich</td><td>320331-2.5L</td><td></td></tr><tr><td>ICP-OES</td><td></td><td></td><td>ICP-OES con combinatore spettrale dicroico (Agilent 5110)</td></tr><tr><td>Forno</td><td></td><td></td> <td>a muffolaForno a muffola ibrido ad alte prestazioni, Camera: (360 x 250 x 320) mm, Esterno: (610 x 545 x 500) mm, Potenza (3100 W), Vulcan 3-1750)</td></tr> <tr><td>Acido nitrico, puriss. p.a., 65,0-67,0%</td> Acido solforico <td>Sigma Aldrich</td><td>84378</td><td></td></tr><tr><td>, reagente ACS 95-98%</td><td></td> <td>Forno</td> tubolare Sigma Aldrich 258105 <td></td></tr><tr><td></td><td>OTF-1200X con tubo di diametro esterno di 60 mm (Hefei Kejing)</td> Bagno ad ultrasuoni <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>Pulitore ad ultrasuoni digitale a frequenza singola da 10 litri da 40 kHz (Biobase)</td></tr></tbody></table>

sintesi di nanoparticelle metalliche supportate su nanotubi di carbonio con atomi di co e n drogati e sue applicazioni catalitiche nella produzione di idrogeno

Synthesis of Metal Nanoparticles Supported on Carbon Nanotube with Doped Co and N Atoms and its Catalytic Applications in Hydrogen Production

Un metodo per una facile sintesi di catalizzatori nanostrutturati supportati su nanotubi di carbonio con cobalto e drogante azotato dispersi atomicamente è presentato qui. La nuova strategia si basa su un facile trattamento di pirolisi one-pot di acetilacetonato di cobalto (II) e precursori organici ricchi di azoto sotto atmosfera Ar a 800 °C, con conseguente formazione di nanotubi di carbonio co- e N-drogati con morfologia simile al lombrico. Il catalizzatore ottenuto è risultato avere un'alta densità di siti difettosi, come confermato dalla spettroscopia Raman. Qui, le nanoparticelle di cobalto (II) sono state stabilizzate sui nanotubi di carbonio drogati atomicamente al cobalto e all'azoto. Il catalizzatore è stato confermato efficace nell'idrolisi catalitica del borano ammoniacale, in cui la frequenza di turnover era di 5,87 mol H 2·mol Co-1·min-1 e la velocità specifica di generazione di idrogeno è stata determinata essere 2447 mL H2·gCo-1·min-1. Una funzione sinergica tra la nanoparticella Co e i nanotubi di carbonio drogati è stata proposta per la prima volta nell'idrolisi catalitica della reazione di ammoniaca borano in una condizione lieve. La produzione di idrogeno risultante con la sua alta densità di energia e il tempo di rifornimento minimo potrebbe essere adatta per lo sviluppo futuro come fonti di energia per applicazioni mobili e fisse come carrelli stradali e carrelli elevatori nei trasporti e nella logistica.

Sono stati ottenuti modelli di diffrazione a raggi X (XRD) per determinare la cristallinità e la dimensione delle NP di cobalto. Come mostrato nella Figura 1, i picchi di diffrazione corrispondenti ai piani (111), (200) e (220) (a 2θ di 44,2°, 51,5° e 75,8° rispettivamente) della fase cubica del cobalto metallico erano presenti in accordo con il file di diffrazione di potenza JCPDS (Joint Committee for Powder Diffraction Standards) (scheda # 15-0806)47. L'ampio picco ...

Qui, presentiamo un protocollo per sintetizzare nanoparticelle di Co supportate su nanotubi di carbonio con droganti Co e N per la produzione di idrogeno.

Sintesi di nanoparticelle metalliche supportate su nanotubi di carbonio con atomi di Co e N drogati e sue applicazioni catalitiche nella produzione di idrogeno

A method for facile synthesis of nanostructured catalysts supported on carbon nanotubes with atomically dispersed cobalt and nitrogen dopant is presented ...

Questo protocollo riguarda lo sviluppo di catalizzatori a basso costo e altamente efficienti con prestazioni affidabili e stabilità di lunga durata. Il catalizzatore sviluppato potrebbe essere utilizzato per la produzione di energia rinnovabile e potrebbe persino risolvere il problema della crisi energetica. Il vantaggio di questo studio è quello di costruire atomi metallici sia particellari che atomicamente dispersi sugli stessi supporti del catalizzatore, che possono funzionare sinergicamente per alcuni tipi di reazioni catalizzatriche.Nell'esplorare il potenziale delle energie rinnovabili per i veicoli per soddisfare le future esigenze normative e di sostenibilità, il rapido sviluppo delle celle a combustibile a idrogeno e dei veicoli, nonché di altri campi correlati, ha efficacemente promosso il progresso della tecnologia energetica dell'idrogeno. Quindi l'obiettivo di questa ricerca è quello di sviluppare un nuovo prototipo di cella a combustibile alimentata a idrogeno utilizzando materiali solidi di stoccaggio dell'idrogeno per l'energia rinnovabile da utilizzare in vari settori come i trasporti, la logistica, eccetera. Inizia pesando 280 grammi di diacido e diammide in un becher da 800 millilitri.Quindi posizionare il becher in un forno a muffola e aumentare lentamente la temperatura dalla temperatura ambiente a 350 gradi Celsius per la rampa di cinque gradi al minuto. Mantenere la temperatura a 350 gradi Celsius per due ore. Quindi raffreddare il forno mediante raffreddamento naturale.Macinare i solidi bianchi ottenuti in polvere fine come materiali di nitruro di carbonio nella forma melem. Iniziare mescolando e macinando 10 grammi di nitruro di carbonio sotto forma di melem con 0,218 grammi di acetato di acetil cobalto fino a quando non si osserva il colore omogeneo. Aggiungere sei millilitri di soluzione di acido citrico in questa miscela omogenea e macinare ulteriormente i materiali.Asciugare i materiali in forno a 60 gradi Celsius per sei ore. Mettere questi materiali in un crogiolo di forma quadrata e poi in un forno tubolare. Riscaldare i materiali a una velocità di riscaldamento di 2,6 gradi Celsius al minuto dalla temperatura ambiente a 800 gradi Celsius e posizionarli sotto un flusso di argon di 100 millilitri al minuto per due ore.Raffreddare lentamente il forno mediante raffreddamento naturale, quindi pesare i campioni di catalizzatore. Impostare il sistema di cilindri invertiti riempiti d'acqua e la soluzione di lavaggio con acido solforico da 0,1 molari. Collegare il pallone schlenk con la soluzione di lavaggio e il cilindro rovesciato riempito d'acqua.Mettere 0,04 grammi del catalizzatore nel pallone schlenk e sonicare la soluzione a 40 kilohertz in un bagno ad ultrasuoni per sei minuti. Quindi preparare ad aggiungere 0,04 grammi di borano ammoniacale a 0,948 millilitri di acqua e iniettare un millilitro della soluzione nel reattore per avviare la reazione di idrolisi. Monitorare il calo del livello dell'acqua mentre la reazione procede e registrare attentamente il volume di produzione in momenti designati.Tracciare un grafico del volume di produzione di idrogeno rispetto al tempo in minuti. Mettere 0,04 grammi di catalizzatore e 10 millilitri di acqua nel pallone schlenk e immergerlo nel bagnomaria a 40 gradi Celsius. Sonicare la soluzione a 40 kilohertz in un bagno ad ultrasuoni per sei minuti, iniettare un millilitro della soluzione di borano ammoniacale al reattore per avviare la reazione di idrolisi, quindi registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno.Iniettare un millilitro della soluzione di borano ammoniacale nel reattore per avviare la reazione di idrolisi, quindi registrare il tempo per il completamento del rilascio di idrogeno. Filtrare il catalizzatore lavandolo tre volte con cinque millilitri di acqua. Quindi guidare il catalizzatore in un forno a 60 gradi Celsius per tre ore.Posizionare il catalizzatore in 10 millilitri di acqua e sonicare la soluzione a 40 kilohertz in un bagno ad ultrasuoni. Ripeti questi passaggi per 10 cicli. Quindi tracciare un grafico del volume di produzione di idrogeno rispetto ai cicli.Immergere il matraccio di schlenk contenente il catalizzatore e l'acido solforico 0,5 molare nel bagno d'olio. Mescolare la reazione per due ore, quindi filtrare il solido usando un imbuto buchner. Lavare il solido tre volte con 10 millilitri di acqua deionizzata ogni volta.Diluire ulteriormente il percolato ottenuto a 250 millilitri in un matraccio tarato da 250 millilitri e raccogliere i solidi lisciviati di nanoparticelle metalliche essiccando a 60 gradi Celsius in un forno. Il pezzo di defrazione a raggi X forte e nitido del cobalto metallico indica una struttura cristallina ben definita, che rimane invariata dopo il riciclo. Mentre i difetti strutturali sono stati studiati utilizzando la spettroscopia Raman.Lo spettro XPS ha mostrato la presenza di ciascun elemento il loro legame e l'ibridazione di atomi di carbonio durante la formazione delle strutture dei nanotubi di carbonio. L'isoterma di desorbimento ad assorbimento ha dimostrato una superficie specifica di 42,02 metri quadrati per grammo e la distribuzione media delle dimensioni dei pori di 3,6 nanometri. Le immagini SEM e HRTEM hanno raffigurato la struttura tubolare a cinque micrometri delle nanoparticelle di cobalto risultanti dalla crescita catalizzante della nanofibra insieme alla loro mappatura EDS.La struttura cristallina della nanoparticella di cobalto è stata caratterizzata da una defrazione elettronica ad area selezionata. Il corpo principale della nanofibra di carbonio è stato avvolto da alcuni strati di carbonio di diversi orientamenti e anelli di defrazione. Il contenuto totale di metallo determinato da ICP-OES è risultato essere del 25,1% in peso con il 9,7% in peso di nanoparticelle di cobalto e il 15,4% in peso di drogaggio al cobalto sui nanotubi di carbonio.Le prestazioni catalitiche del catalizzatore sono state studiate e si è riscontrato che fino alla 10a volta dell'edizione del borano ammoniacale, non vi era alcun evidente declino delle prestazioni catalitiche. È stata studiata anche la legge della velocità di reazione e l'energia di attivazione è stata determinata in 42,8 kilojoule per mole. Evitare di sovraccaricare il forno tubolare con precursori del catalizzatore poiché troppi prodotti di decomposizione potrebbero bloccare il tubo.Assicurati che la miscela di solidi sia ben miscelata. Attrezzature ad alta energia come la fresatura possono essere utilizzate per facilitare una miscelazione. Questi catalizzatori possono essere applicati in altri tipi di reazioni di trasformazione organica e attivazione di piccole molecole come la protezione dell'idrogeno dalla formazione di acido, la reazione incrociata e la sintesi organica.

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Sintesi di nanoparticelle metalliche supportate su nanotubi di carbonio con atomi di Co e N drogati e sue applicazioni catalitiche nella produzione di idrogeno

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