Name: Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-12-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 40 s
Description: Poznaj syntezę nanocząstek kobaltu na nanorurkach węglowych z domieszkami Co i N do produkcji wodoru. Ta metoda oferuje niskokosztowy, wydajny i stabilny katalizator dla odnawialnych źródeł energii.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca została w pełni sfinansowana przez Hong Kong University Grants Committee - Institutional Development Scheme (IDS) Collaborative Research Grant, grant numer UGC/IDS(C)14/B(E)01/19, Faculty Development Scheme (FDS), numer grantu UGC/FDS25/E08/20 i częściowo finansowany przez Institutional Development Scheme (IDS), numer grantu UGC/IDS(R)25/20.
<div></div>
.

UWAGA: Zaleca się, aby czytelnicy dokładnie sprawdzili właściwości i toksyczność substancji chemicznych opisanych w niniejszej pracy w odpowiednich kartach charakterystyki materiałów (MSDS) w celu zapewnienia prawidłowej obsługi odczynników. Niektóre z użytych chemikaliów są szkodliwe dla zdrowia i wymagają szczególnej ostrożności. Wpływ nanomateriałów na zdrowie człowieka jest nieznany i może stwarzać zagrożenia dla bezpieczeństwa i zdrowia. Należy unikać wdychania tych materiałów oraz kontaktu z nimi poprzez skórę. Należy również przestrzegać środków ostrożności, takich jak odprowadzanie gazów odpadowych podczas syntezy katalizatora do wyciągu laboratoryjnego oraz zapewnienie odpowiedniego wentylowania wodoru podczas oceny wydajności katalizatora. Zaleca się stałe noszenie osobistego sprzętu ochronnego. Wodór jest gazem potencjalnie wybuchowym o bardzo szerokim zakresie palności w powietrzu (od 4% do 74%). Należy zadbać o to, aby gaz wodorowy był prawidłowo odprowadzany do atmosfery.
1. Synteza materiałów melem-C3N4
<ol>
	<li>Odważ 280 g dicyandiamidu (gęstość = 1,4 g·cm-3) do zlewki o pojemności 800 mL.</li>
	<li>Umieść zlewkę z powyższym ciałem stałym w piecu muflowym i powoli podnieś temperaturę z temperatury pokojowej do 350 °C z szybkością narastania 5 °C·min-1.</li>
	<li>Utrzymuj temperaturę 350 °C przez 2 h, a następnie schłodź piec poprzez chłodzenie naturalne.</li>
	<li>Zmiel otrzymane białe ciało stałe na drobny proszek, uzyskując materiał C3N4 w formie melemu (DCD-350). 
	UWAGA: Wydajność wynosi 175 g.</li>
</ol>
2. Wyżarzanie mieszanin melem-C3N4 i Co(acac)2 w różnych temperaturach
<ol>
	<li>Wymieszać 10,0 g melem-C3N4 z 0,218 g Co(acac)2 [stosunek masowy Co : melem-C3N4 = 1:200]. Ucierać i mieszać obie substancje stałe do uzyskania jednorodnego koloru.</li>
	<li>Do jednorodnej mieszaniny dodać 6 mL roztworu kwasu cytrynowego (woda : etanol = 1:1, kwas cytrynowy = 10 g·L-1) i ponownie utrzeć materiały.</li>
	<li>Suszyć materiały w suszarce w temperaturze 60 °C przez 6 h.</li>
	<li>Przenieść materiały do tygla o przekroju kwadratowym, a następnie umieścić go w piecu rurowym.</li>
	<li>Ogrzać materiały z szybkością 2,6 °C·min-1 od temperatury pokojowej do 800 °C i wytrzymać przez 2 h w przepływie Ar wynoszącym 100 mL·min-1.</li>
	<li>Powoli schłodzić piec poprzez chłodzenie naturalne.</li>
	<li>Zważyć próbki katalizatora. W tym przypadku wydajność wyniosła 0,65 g.</li>
</ol>
3. Pomiar wydzielania wodoru podczas hydrolizy boranu amoniaku
<ol>
	<li>Przygotuj system z odwróconym cylindrem wypełnionym wodą (Ryc. uzupełniająca 1).</li>
	<li>Przygotuj 0,1 M roztwór płuczący H2SO4.</li>
	<li>Połącz kolbę Schlenka z roztworem płuczącym oraz odwrócony cylinder wypełniony wodą.</li>
	<li>Ustaw temperaturę kąpieli wodnej na 40 °C. </li>
	<li>Wprowadź 0,04 g katalizatora do kolby Schlenka.</li>
	<li>Przygotuj wodny roztwór boranu amoniaku, rozpuszczając 0,04 g boranu amoniaku w 0,948 mL wody (stężenie = 0,04 g·mL-1).</li>
	<li>Wstrzyknij 1 mL roztworu NH3BH3 (40 mg·mL-1) do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
	<li>Monitoruj spadek poziomu wody w miarę postępu reakcji. Starannie zapisuj objętość produktu w wyznaczonych odstępach czasu, np. co 5 s.</li>
	<li>Narysuj wykres objętości wydzielonego H2 w funkcji czasu wyrażonego w minutach.</li>
</ol>
4. Badania kinetyczne
<ol>
	<li>Wyznaczenie energii aktywacji
	<ol>
		<li>Ustaw temperaturę kąpieli wodnej na 40 °C.</li>
		<li>Wprowadź 0,04 g katalizatora i 10 mL wody do kolby Schlenka i zanurz ją w kąpieli wodnej. Poddaj roztwór działaniu ultradźwięków o częstotliwości 40 kHz w kąpieli ultradźwiękowej przez 6 min.</li>
		<li>Wstrzyknij 1 mL roztworu NH3BH3 (40 mg·mL-1) do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
		<li>Zapisz czas całkowitego wydzielenia wodoru.</li>
		<li>Powtórz kroki 4.1.1–4.1.4, ustawiając temperaturę kąpieli wodnej na 35 °C.</li>
		<li>Powtórz powyższy eksperyment odpowiednio w temperaturach 30 °C i 25 °C.</li>
		<li>Nanieś na wykres zależność specyficznej stałej szybkości od czasu, korzystając z poniższego równania. Wykres ln k w funkcji 1/T powinien przedstawiać linię prostą. 
		<img alt="Wzór na równanie Arrheniusa ln ko = -Ea/RT + ln A; analiza kinetyki chemicznej." src="/files/ftp_upload/62965/62965eq01.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 1"> 
		gdzie ko oznacza specyficzną stałą szybkości (mol H2·gCo-1·min-1), R to uniwersalna stała gazowa (8,314 kJ·mol-1), T oznacza temperaturę reakcji (K), a A to czynnik przedwykładniczy (mol H2 gCo-1·min-1).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczenie częstotliwości obrotu i specyficznej szybkości generowania wodoru
	<ol>
		<li>Oblicz częstotliwość obrotu (TOF) zgodnie z poniższym równaniem: 
		<img alt="Wzór na obliczenie TOF, analiza szybkości reakcji, równanie częstotliwości obrotu, badania chemiczne." src="/files/ftp_upload/62965/62965eq02.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 2"> 
		gdzie nH2 to liczba moli otrzymanego wodoru, Δt to czas wymagany do całkowitego wydzielenia wodoru, a nM to ilość molowa metalu w katalizatorze.</li>
		<li>Oblicz specyficzną szybkość generowania wodoru zgodnie z poniższym równaniem42,43: 
		<img alt="Wzór na obliczenie szybkości \( r_B = \frac{\Delta V_{H_2}}{\Delta t \cdot \omega_M} \)." src="/files/ftp_upload/62965/62965eq03.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 3"> 
		Gdzie ΔVH2 to objętość otrzymanego wodoru, t to czas wymagany dla etapów inicjacji i stabilizacji (np. czas, w którym wygenerowano 70 mL wodoru dla 40 mg borowodorku amoniaku, lub czas, w którym wygenerowano 140 mL wodoru dla 80 mg borowodorku amoniaku), a ω​M to masa metalu w katalizatorze.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczenie zależności między [borowodorkiem amoniaku] a szybkością reakcji
	<ol>
		<li>Ustaw temperaturę kąpieli wodnej na 40 °C.</li>
		<li>Wprowadź 40 mg katalizatora i 10 mL wody do kolby Schlenka i zanurz ją w kąpieli wodnej. Poddaj roztwór działaniu ultradźwięków o częstotliwości 40 kHz w kąpieli ultradźwiękowej przez 6 min.</li>
		<li>Wstrzyknij 1 mL roztworu NH3BH3 (40 mg·mL-1) do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
		<li>Zapisz czas całkowitego wydzielenia wodoru.</li>
		<li>Powtórz krok 4.3.3, wstrzykując do reaktora 2 mL roztworu NH3BH3 (tj. 80 mg w 2 mL), aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
		<li>Powtórz kroki 4.3.1–4.3.4, stosując odpowiednio 0,5 mL i 0,25 mL roztworu NH3BH3 (40 mg/mL), aby zapisać czas całkowitego wydzielenia wodoru.</li>
		<li>Oblicz szybkość reakcji zgodnie z poniższym równaniem44: 
		<img alt="Wzór na szybkość reakcji, ΔmlH2/Δt, kinetyka chemiczna, równanie, zasób edukacyjny." src="/files/ftp_upload/62965/62965eq04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 4"> 
		gdzie ΔmlH2 to objętość otrzymanego wodoru, a Δt to czas wymagany do wydzielenia 70 mL wodoru.</li>
		<li>Nanieś na wykres zależność ln szybkości od ln[borowodorku amoniaku] i wyznacz nachylenie wykresu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczenie zależności między [katalizatorami] a szybkością produkcji
	<ol>
		<li>Ustaw temperaturę kąpieli wodnej na 40 °C.</li>
		<li>Wprowadź 40 mg katalizatora i 10 mL wody do kolby Schlenka i zanurz ją w kąpieli wodnej. Poddaj roztwór działaniu ultradźwięków o częstotliwości 40 kHz w kąpieli ultradźwiękowej przez 6 min.</li>
		<li>Wstrzyknij 1 mL roztworu NH3BH3 (40 mg·mL-1) do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
		<li>Zapisz czas całkowitego wydzielenia wodoru.</li>
		<li>Powtórz kroki 4.4.1–4.4.4, zmieniając ilość katalizatora (20 mg, 40 mg, 60 mg, 80 mg) i wstrzykując do reaktora 1 mL roztworu NH3BH3 (tj. 40 mg·mL-1), aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
		<li>Zapisz czas całkowitego wydzielenia wodoru dla powyższych różnych ilości katalizatora.</li>
		<li>Oblicz szybkość reakcji zgodnie z poniższym równaniem44: 
		<img alt="Wzór na szybkość reakcji, ΔmlH2/Δt, kinetyka chemiczna, równanie, zasób edukacyjny." src="/files/ftp_upload/62965/62965eq04.jpg" data-altupdatedat="1788282455000" data-alt="Równanie 5"> 
		gdzie ΔmlH2 to objętość otrzymanego wodoru, a Δt to czas wymagany do wydzielenia 70 mL wodoru.</li>
		<li>Nanieś na wykres zależność ln szybkości od ln[katalizatora] i wyznacz nachylenie wykresu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Test wydajności pływania
<ol>
	<li>Ustaw temperaturę łaźni wodnej na 40 °C.</li>
	<li>Do kolby Schlenka wprowadź 0,04 g katalizatora oraz 10 mL wody, a następnie zanurz ją w łaźni wodnej. Poddaj roztwór sonikacji przy częstotliwości 40 kHz w kąpieli ultradźwiękowej przez 6 min.</li>
	<li>Do reaktora wstrzyknij 1 mL roztworu NH3BH3 (40 mg·mL-1), aby zainicjować reakcję hydrolizy.</li>
	<li>Zanotuj czas potrzebny do zakończenia wydzielania wodoru.</li>
	<li>Odfiltruj katalizator, przemyj go wodą (5 mL) trzykrotnie, a następnie wysusz w suszarce (60 °C) przez 3 h.</li>
	<li>Umieść katalizator w 10 mL wody i poddaj roztwór sonikacji przy częstotliwości 40 kHz w kąpieli ultradźwiękowej.</li>
	<li>Powtórz kroki 5.1.3-5.1.5 dziesięciokrotnie.</li>
	<li>Wykreśl odpowiednio objętość wyprodukowanego wodoru, TOF oraz specyficzną szybkość generowania w funkcji liczby cykli.</li>
</ol>
6. Eksperyment ługowania nanocząstek metali w celu otrzymania czystych pojedynczych atomów metalu na nanorurkach węglowych (SAs CNT)
<ol>
	<li>Ustaw temperaturę łaźni olejowej na 80 °C.</li>
	<li>Do kolby Schlenka wprowadź 0,15 g katalizatora oraz 50 mL 0,5 M H2SO4, a następnie zanurz kolbę w łaźni olejowej.</li>
	<li>Mieszaj mieszaninę reakcyjną przez 2 h.</li>
	<li>Odfiltruj fazę stałą za pomocą lejka Büchnera i przemyj osad wodą dejonizowaną (3x po 10 mL). Przenieś odfiltrat do kolby miarowej o pojemności 250 mL i dopełnij wodą do kreski.</li>
	<li>Zebierz pozostałe po ługowaniu ciała stałe (zawierające wyłącznie CNT domieszkowane Co) i wysusz je w suszarce w temperaturze 60 °C.</li>
</ol>
7. Oznaczanie zawartości metali przy użyciu spektroskopii emisyjnej z plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP-OES)
<ol>
	<li>Oznaczanie całkowitej zawartości kobaltu metalicznego
	<ol>
		<li>Umieścić około 0,02 g przygotowanego katalizatora z sekcji 2 w 50 mL 2 M roztworu kwasów (stosunek molowy HCl: HNO3 = 3:1)45,46 w autoklawie ze stali nierdzewnej wyłożonym politetrafluoroetylenem.</li>
		<li>Włożyć pojemnik wyłożony politetrafluoroetylenem do stalowej bomby i zabezpieczyć pokrywkę.</li>
		<li>Umieścić bombę w piecu, ustawić temperaturę na 180 °C i ogrzewać bombę przez 12 h.</li>
		<li>Wyjąć bombę i opróżnić jej zawartość. Odfiltrować ciało stałe, a roztwór rozcieńczyć w kolbie miarowej o pojemności 250 mL, dodając 200 mL wody dejonizowanej. 
		UWAGA: Celem rozcieńczenia jest dostosowanie stężenia próbek do analizy ICP, tak aby mieściły się one w zakresie stężeń wzorca metalu, tj. 0-40 ppm.</li>
		<li>Przeprowadzić analizę roztworu metodą ICP-OES i obliczyć całkowitą zawartość Co w % masowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oznaczanie zawartości atomów kobaltu na CNT
	<ol>
		<li>Umieścić około 0,02 g przygotowanego katalizatora z kroku 6.5 w 50 mL 2 M roztworu kwasów (stosunek molowy HCl: HNO3 = 3:1)45,46 w autoklawie ze stali nierdzewnej wyłożonym politetrafluoroetylenem.</li>
		<li>Włożyć pojemnik wyłożony politetrafluoroetylenem do stalowej bomby i zabezpieczyć pokrywkę.</li>
		<li>Umieścić bombę w piecu, ustawić temperaturę na 180 °C i ogrzewać bombę przez 12 h.</li>
		<li>Wyjąć bombę i opróżnić jej zawartość. Odfiltrować ciało stałe, a roztwór rozcieńczyć w kolbie miarowej o pojemności 250 mL, dodając 200 mL wody dejonizowanej. 
		UWAGA: Celem rozcieńczenia jest dostosowanie stężenia próbek do analizy ICP, tak aby mieściły się one w zakresie stężeń wzorca metalu, tj. 0-40 ppm.</li>
		<li>Przeprowadzić analizę roztworu metodą ICP-OES i obliczyć zawartość atomów Co w % masowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oznaczanie zawartości nanocząstek (NPs) kobaltu
	<ol>
		<li>Różnica między zawartością metalu z punktu 7.1.5 a 7.2.5 stanowi % masowy nanocząstek Co.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

Metoda pirolizy stała się jedną z potężnych strategii syntezy jednowymiarowych nanomateriałów na różnych domieszkowanych heteroatomami nośnikach stałych z kontrolowanym rozmiarem nanocząstek (NPs). Na przykład strategia pirolizy w ograniczonej nanostrzeń została opisana przez Guo i wsp.56. W skrócie, wstępnie potraktowane MWCNT, kobalt oraz prekursory fosforu poddano pirolizie w temperaturze 800 °C w atmosferze N2 , w wyniku czego uzyskano NPs CoP osadzone na N-CNT. Obecność mikroporów ...

Opracowanie tanich i wysoce wydajnych katalizatorów do produkcji energii odnawialnej pozostaje jednym z najbardziej krytycznych i wymagających problemów mających na celu zażegnanie kryzysu energetycznego. Jest jednak daleki od praktycznych zastosowań ze względu na kilka problemów, takich jak metody produkcji na dużą skalę z niezawodną wydajnością, wysokimi kosztami produkcji i długotrwałą stabilnością w celu przedłużenia żywotności katalizatorów. Sektory przemysłu, takie jak transport i logistyka, wymagają produkcji energii dla pojazdów i urządzeń o długich godzinach pracy, dużym zasilaniu energią i minimalnym czasie tankowania w celu osiągnięcia wydajnych operacji1,2,3. W związku z tym w szerokim zakresie wykorzystano skuteczne strategie, aby sprostać powyższym wyzwaniom technicznym. Na przykład poprzez regulację struktury elektronowej miejsc aktywnych metalu i nośników katalizatora, projektowanie specyficznej architektury nanokatalizatorów metali, dostrajanie składu metali, modyfikację grup funkcyjnych zakotwiczonego nośnika i różnicowanie morfologii w celu zwiększenia liczby wewnętrznych miejsc aktywnych. W ciągu ostatnich kilku dekad nanocząstki (NP) zdominowały pola różnych niejednorodnych kataliz, a aktywność katalityczną można skutecznie dostroić poprzez zmianę wielkości nanocząsteczek. Dopiero w ostatnich latach okazało się, że wysoce rozproszone katalizatory jednoatomowe (SAC) mają doskonałe właściwości w wielu reakcjach katalitycznych ze względu na ich unikalną strukturę elektronową i środowisko koordynacyjne. W szczególności SAC wykazały już doskonałe wyniki w konwersji energii, takiej jak reakcje elektrochemiczne (HER, ORR, OER) i elektrochemiczne systemy energetyczne (np. superkondensatory, akumulatory)4,5,6. Chociaż zarówno nanocząsteczki, jak i SAC mają swoje zalety i ograniczenia w zastosowaniach katalitycznych, istnieją reakcje, które wymagają zarówno nanocząsteczek, jak i SAC w celu zwiększenia reaktywności katalitycznej. Na przykład, nanocząsteczki Ru wsparte na nadbudowie z nanorurek węglowych domieszkowanych ni- i azotem mogą ułatwić wysokokatalityczne utlenianie kwasu octowego w wilgotnym powietrzu7. Ten synergiczny efekt wykazano również za pomocą katalizatorów Pd1+NPs/TiO2 do wysoce selektywnego uwodornienia ketonów i aldehydów w temperaturach pokojowych8. W celu przyspieszenia rozwoju dziedziny synergicznej katalizy NP i SAC oraz zbadania ich zastosowań katalitycznych, wysoce pożądany jest łatwy sposób syntezy katalizatorów, a wprowadzenie dużych obciążeń atomowo rozproszonego miejsca aktywnego pozostaje wyzwaniem ze względu na wysoką tendencję do agregacji SACs9.
Do syntezy SAC użyto kilku metod do zastosowań w uwodornieniu nitroarenów10, reakcja redukcji tlenu i reakcja wydzielania wodoru11,12, baterie litowo-tlenowe13. Najczęstszą strategią jest podejście oddolne, w którym prekursory metali zostały wchłonięte, zredukowane i unieruchomione na defektach odpowiedniego nośnika. Jednojądrzaste kompleksy metalowe mogą być również najpierw przyłączane do grupy funkcyjnej podpór, a następnie usuwane organiczne ligandy, tworząc w ten sposób aktywne miejsca metali dla procesu katalitycznego. Osadzanie warstw atomowych (ALD) jest prawdopodobnie najczęściej stosowaną procedurą wytwarzania od dołu do góry poprzez osadzanie cienkiej warstwy filmu na podłożu z powtarzającym się narażeniem reagentów. Chociaż rozmiar katalizatora można było precyzyjnie kontrolować, a reaktywność można było znacznie poprawić14, czystość podłoża była dość wymagająca, a obciążenie metalu stosunkowo niskie, co skutkowało wysokimi kosztami produkcji w przypadku praktycznych zastosowań. Różne metody, takie jak bezpośrednia impregnacja, współwytrącanie i osadzanie-wytrącanie, zostały zastosowane do unieruchomienia nanocząstek metali na powierzchniach nośnych, takich jak tlenek metalu i azotek, poprzez efekty ładowania powierzchniowego. Jednak rosnące obciążenie metalem zwykle prowadzi do znacznej aglomeracji i tworzenia się klastrów atomów metalu lub nanocząstek. W związku z tym, zazwyczaj, wymagany jest bardzo rozcieńczony roztwór metalu, co prowadzi do niskich ładunków SAC katalizatorów15. Ligandy aminowe, takie jak fenantrolina, zostały wykorzystane do poddania pirolizie z prekursorami metali w celu przygotowania atomowo rozproszonych katalizatorów metalowych z wysoce aktywnymi miejscami aktywnymi Co-Nx do selektywnego odwodornienia kwasu mrówkowego. Jednak obciążenie metalem było stosunkowo niskie (2-3 % wag.) ze względu na ograniczoną liczbę dostępnych atomów N w prekursorach amin16.
W ciągu ostatnich kilku dekad, wodór był uważany za potencjalną alternatywę dla zastąpienia paliw kopalnych lub węglowodorów, takich jak węgiel, gaz ziemny i benzyna, ze względu na zaletę zerowej emisji tego pierwszego. Do tej pory około 94% komercyjnego wodoru jest nadal produkowane w procesie reformingu paliw kopalnych, w którym proces ten uwalnia dużą ilość gazów cieplarnianych17. Dlatego produkcja wodoru z zasobów odnawialnych, takich jak elektroliza wody, jest sposobem na rozwiązanie problemu wyczerpanych zasobów kopalnych i poważnych emisji dwutlenku węgla. Niska wydajność produkcji wodoru utrudnia jednak ich szersze zastosowanie. Tak więc, aby pokonać tę barierę energii kinetycznej dla rozszczepiania wody, w ciągu ostatniej dekady odkryto wiele wydajnych elektrokatalizatorów18. Kolejną kwestią jest problem z magazynowaniem ze względu na gazowy i wybuchowy charakter wodoru w warunkach otoczenia. Fizyczne metody przechowywania, takie jak kompresja, będą wymagały sprężenia wodoru do 700-800 barów, a przechowywanie kriogeniczne przez skraplanie będzie wymagało niskiej temperatury w temperaturze -253 °C19. Chociaż udało się zademonstrować komercjalizowane pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi, problem magazynowania nie został jeszcze rozwiązany, jeśli technologia ma być wykorzystywana w szerszych zastosowaniach, takich jak miniaturowe urządzenia i miniogniwa paliwowe. W związku z tym metody magazynowania wykorzystujące chemiczne materiały H były jednym z gorących obszarów zainteresowania w badaniach nad energią wodorową. Niektóre przykłady chemicznych materiałów magazynujących H to amoniakór< boran(AB)sup class="xref">20, kwas mrówkowy (FA)21, amoniak gazowy22, alanian sodu23 i wodorek magnezu24. Wśród nich AB ma niską masę cząsteczkową (30,7 g·mol-1), wysoką gęstość grawimetryczną i objętościową (odpowiednio 196 gH2·kg-1 i 146 gH2·L-1). Poza tym jest to związek stabilny w powietrzu i wilgoci, nietoksyczny i dobrze rozpuszczalny w wodzie. Nanocząstki metali na różnych materiałach nośnych są szeroko stosowane do uwalniania trzech odpowiedników wodoru z AB, takich jak katalizatory na bazie platyny (Pt-), palladu (Pd-), rutenu (Ru-), kobaltu (Co-) i niklu (Ni). Katalizatory heterogeniczne oparte na współczynniku opartym na materiałach węglowych cieszą się szczególnie dużym zainteresowaniem ze względu na ich niski koszt, dużą obfitość i łatwość odzyskiwania. Opisano kilka strategii syntetycznych, takich jak nanocząsteczki Co wspierane na rozgałęzionym tlenku grafenu ozdobionym polietylenem25. Struktura 3D o dużej powierzchni zapewnia stabilizację nanocząsteczek Co utrzymującą się w zakresie wielkości 2-3 nm i zapobiega agregacji nanocząsteczek. Inną strategią jest użycie materiałów węglowych domieszkowanych N do wspierania nanocząsteczek Co o małych rozmiarach. Używając Co(salen)26 i Co-MOF27 (struktura metaloorganiczna) jako prekursorów, przygotowano odpowiednio NPs Co o długości fali 9,0 nm i 3,5 nm na porowatych materiałach węglowych domieszkowanych N. Stabilność w kierunku hydrolizy AB jest wysoka, a reaktywność może utrzymać ponad 95% początkowej aktywności po 10 przebiegach reakcji. Ostatnio do hydrolizy AB wykorzystuje się katalizatory z pustymi mikro/nanostrukturami. Materiały te są konwencjonalnie przygotowywane metodami hydrotermalnymi i są szeroko stosowane w akumulatorach litowo-jonowych, superkondensatorach, czujnikach chemicznych i badaniach katalizy heterogenicznej. Tak więc synergia miedzi i kobaltu w kierunku hydrolizy AB została wykazana przez pusty CuMoO 4-CoMoO428, co daje wysoki TOF 104,7 min-1. Inne wysoce zależne od struktury przykłady obejmują skorupę rdzenia CuO-NiO/Co3O429, CoxCu1−xCo2O4@CoyCu1−yCo2O4 yolk-shell type30 oraz Ni0.4Cu0.6Co2O4 nanoarrays31 stwierdzono również, że są aktywne w kierunku hydrolizy AB. Inny rodzaj nowych materiałów, znany jako katalizatory heterostrukturalne, takie jak MXenes i warstwowe podwójne wodorotlenki (LDH), jest coraz częściej wykorzystywany w reakcjach elektrokatalitycznych i fotokatalitycznych32,33,34,35. Materiały te, takie jak podwójny wodorotlenek NiFe36,37 oraz materiały CoB-N z heterointerfejsami węglowo-kobaltowo-borkowymi domieszkowanymi N38 są szczególnie aktywne w reakcji wydzielania tlenu i redukcji. Zasadniczo można je dalej wykorzystywać w reakcjach wydzielania wodoru z materiałów magazynujących wodór, takich jak amoniak, boran39. Maksymalizacja interakcji między katalizatorami a substratami jest również kolejną strategią hydrolizy AB. Chiang i in. wykorzystali powierzchniową grupę tlenkową tlenku grafenu do utworzenia zainicjowanego złożonego gatunku o klasie AB40, dzięki czemu Ni0,8Pt0,2 / GO i rGO wykazały doskonałą reaktywność w kierunku hydrolizy AB. Zastosowanie α-MoC jako nośnika dla katalizatorów bimetalicznych Co i Ni pomogło w aktywacji cząsteczek wody i osiągnęło wysoki TOF w kierunku hydrolizy AB, który jest czterokrotnie wyższy niż w przypadku komercyjnego katalizatora Pt/C41.
Korzystając z wysokiej zawartości N w dicyjanodiamidze i pokrewnych materiałach C3N4, przedstawiono tutaj protokół łatwej syntezy nanocząsteczek kobaltu opartych na wysoce zdyspergowanych nanorurkach węglowych domieszkowanych Co i N. Stopniowe tworzenie in situ NPs Co z powstałego atomowo rozproszonego Co podczas pirolizy materiałówC3N4 zapewnia, że 1) Nanocząsteczki Co i domieszki Co są wysoce zdyspergowane; 2) Nanocząsteczki Co mogą być silnie zakotwiczone na domieszkowanych nośnikach węglowych, a 3) Wielkość nanocząsteczek Co może być dokładnie kontrolowana przez temperaturę i czas pirolizy. Stwierdzono, że przygotowany Co/Co-N-CNT, w wyniku silnie zakotwiczonych nanocząsteczek Co i zdolności domieszek Co do obniżania energii adsorpcji cząsteczek wody, ma lepszą stabilność w stosunku do hydrolizy AB do produkcji wodoru. Szczegóły dotyczące protokołu syntezy katalizatorów i pomiaru produkcji wodoru będą centralnym punktem niniejszego sprawozdania.

<table><tbody><tr><td>Dicyjanodiamid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D76609</td><td></td></tr><tr><td>Kompleks boran-amoniak</td><td>Aladyn</td><td>B131882-100g</td><td></td></tr><tr><td>Kwas cytrynowy, 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C0759</td><td></td></tr><tr><td>Wzorcowy roztwór kobaltu metalicznego, identyfikowany z SRM z NIST Co(NO3)2 w HNO3 0,5 mol/l 1000 mg/l Co Certipur</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1.19785</td><td></td></tr><tr><td>Octanoacetonian kobaltu(II), &ge; 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>727970</td><td></td></tr><tr><td>Kwas solny, odczynnik ACS</td><td>Sigma Aldrich</td><td>320331-2.5L</td><td></td></tr><tr><td>ICP-OES</td><td></td><td></td><td>ICP-OES z dichroicznym sumatorem widmowym (Agilent 5110)</td></tr><tr><td>Piec</td><td></td><td></td> <td>muflowyWysokowydajny hybrydowy piec muflowy, Komora: (360 x 250 x 320) mm, Na zewnątrz: (610 x 545 x 500) mm, Moc (3100W), Vulcan 3-1750)</td></tr><tr><td>Kwas azotowy, puriss. rocznie, 65.0-67.0%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>84378</td><td></td></tr><tr><td>Kwas siarkowy, odczynnik ACS 95-98%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>258105</td><td></td></tr><tr><td>Piec</td><td></td><td></td> rurowy <td>OTF-1200X z rurą o średnicy zewnętrznej 60 mm (Hefei Kejing)</td></tr><tr><td>Kąpiel ultradźwiękowa</td><td></td><td></td><td>10L cyfrowa myjka ultradźwiękowa o pojedynczej częstotliwości 40 kHz (Biobase)</td></tr></tbody></table>

synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami co i n oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

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

Przedstawiono tu metodę łatwej syntezy nanostrukturalnych katalizatorów opartych na nanorurkach węglowych z atomowo zdyspergowaną domieszką kobaltu i azotu. Nowatorska strategia opiera się na łatwej pirolizie acetyloacetonianu kobaltu (II) i bogatych w azot prekursorów organicznych w atmosferze Ar w temperaturze 800 °C, w wyniku której powstaje nanorurki węglowe domieszkowane co i N o morfologii podobnej do dżdżownic. Stwierdzono, że otrzymany katalizator charakteryzuje się dużym zagęszczeniem miejsc defektów, co potwierdzono spektroskopią Ramanowską. W tym przypadku nanocząstki kobaltu (II) zostały ustabilizowane na atomowo zdyspergowanych nanorurkach węglowych domieszkowanych kobaltem i azotem. Potwierdzono, że katalizator jest skuteczny w katalitycznej hydrolizie amoniaku boranowego, w której częstotliwość obrotu wynosiła 5,87 mol H2·mol Co-1·min-1, a właściwą szybkość wytwarzania wodoru określono na 2447 ml H2·g Co-1·min-1. Po raz pierwszy zaproponowano synergiczną funkcję między nanocząstką Co a domieszkowanymi nanorurkami węglowymi w reakcji katalitycznej hydrolizy amoniaku z boranem w łagodnych warunkach. Wynikająca z tego produkcja wodoru o wysokiej gęstości energii i minimalnym czasie tankowania może być odpowiednia do przyszłego rozwoju jako źródło energii do zastosowań mobilnych i stacjonarnych, takich jak ciężarówki drogowe i wózki widłowe w transporcie i logistyce.

W celu określenia krystaliczności i rozmiaru nanocząsteczek (NPs) kobaltu uzyskano dyfraktogramy rentgenowskie (XRD). Jak pokazano na Rysunku 1, w zgodzie z plikiem dyfrakcji proszków JCPDS (Joint Committee for Powder Diffraction Standards) (karta nr 15-0806)47, obecne były piki dyfrakcyjne odpowiadające płaszczyznom (111), (200) i (220) (odpowiednio przy 2θ wynoszących 44,2°, 51,5° i 75,8°) kubicznej fazy kobaltu metalicznego. Szeroki pik przy 2θ wynoszącym około 26°...

Tutaj prezentujemy protokół syntezy nanocząstek Co na nanorurkach węglowych z domieszkami Co- i N- do produkcji wodoru.

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

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

Protokół ten ma na celu opracowanie taniego i wysoce wydajnego katalizatora o niezawodnej wydajności i długotrwałej stabilności. Opracowany katalizator może być wykorzystany do produkcji energii odnawialnej, a nawet może rozwiązać problem kryzysu energetycznego. Zaletą tego badania jest skonstruowanie zarówno cząstek, jak i atomowo rozproszonych atomowo atomów metalu na tych samych nośnikach katalizatora, które mogą działać synergistycznie dla niektórych typów reakcji katalicznych.Badając potencjał energii odnawialnej w pojazdach w celu zaspokojenia przyszłych potrzeb regulacyjnych i zrównoważonego rozwoju, szybki rozwój wodorowych ogniw paliwowych i pojazdów, a także innych powiązanych dziedzin, skutecznie promuje postęp technologii energii wodorowej. Celem tych badań jest opracowanie nowatorskiego prototypu ogniwa paliwowego zasilanego wodorem, wykorzystującego stałe materiały do magazynowania wodoru do wykorzystania w energii odnawialnej, do wykorzystania w różnych sektorach, takich jak transport, logistyka i tak dalej. Zacznij od zważenia 280 gramów dikwasu i diamidu w zlewce o pojemności 800 mililitrów.Następnie umieść zlewkę w piecu muflowym i powoli podnoś temperaturę z temperatury pokojowej do 350 stopni Celsjusza, aby uzyskać rampę pięciu stopni na minutę. Utrzymuj temperaturę 350 stopni Celsjusza przez dwie godziny. Następnie schłodzić piec przez naturalne chłodzenie.Otrzymane białe ciała stałe zmielić na drobny proszek jako materiały azotku węgla w postaci melemu. Zacznij od wymieszania i zmielenia 10 gramów azotku węgla w postaci melemu z 0,218 grama octanu acetylu kobaltu, aż do uzyskania jednorodnego koloru. Dodaj sześć mililitrów roztworu kwasu cytrynowego do tej jednorodnej mieszaniny i dalej miel materiały.Suszyć materiały w piekarniku w temperaturze 60 stopni Celsjusza przez sześć godzin. Umieść te materiały w kwadratowym tyglu, a następnie w piecu rurowym. Podgrzej materiały z szybkością ogrzewania 2,6 stopnia Celsjusza na minutę od temperatury pokojowej do 800 stopni Celsjusza i umieść je pod strumieniem argonu o natężeniu 100 mililitrów na minutę przez dwie godziny.Powoli schłodzić piec przez naturalne chłodzenie, a następnie odważyć próbki katalizatora. Ustaw system odwróconych cylindrów wypełnionych wodą i 0,1-molowy roztwór do mycia kwasem siarkowym. Połączyć kolbę Schlenka z roztworem myjącym i odwróconym cylindrem wypełnionym wodą.Umieścić 0,04 grama katalizatora w kolbie Schlenka i poddać sonikacji roztworu o częstotliwości 40 kiloherców w łaźni ultradźwiękowej przez sześć minut. Następnie przygotuj się do dodania 0,04 grama amoniaku boranu do 0,948 mililitra wody i wstrzyknij jeden mililitr roztworu do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy. Monitoruj spadek poziomu wody w miarę postępu reakcji i dokładnie rejestruj wielkość produkcji w wyznaczonych godzinach.Narysuj wykres wielkości produkcji wodoru w funkcji czasu w minutach. Umieścić 0,04 grama katalizatora i 10 mililitrów wody w kolbie Schlenka i zanurzyć w łaźni wodnej o temperaturze 40 stopni Celsjusza. Sonikować roztwór o częstotliwości 40 kiloherców w kąpieli ultradźwiękowej przez sześć minut, wstrzyknąć jeden mililitr roztworu amoniaku z boranem do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy, a następnie zarejestrować czas zakończenia uwalniania wodoru.Wstrzyknąć jeden mililitr roztworu boranu amoniaku do reaktora, aby zainicjować reakcję hydrolizy, a następnie zarejestrować czas zakończenia uwalniania wodoru. Odfiltruj katalizator, przemywając go trzykrotnie pięcioma mililitrami wody. Następnie wbij katalizator do piekarnika o temperaturze 60 stopni Celsjusza na trzy godziny.Umieść katalizator w 10 mililitrach wody i poddaj roztwór sonikacji o częstotliwości 40 kiloherców w kąpieli ultradźwiękowej. Powtarzaj te kroki przez 10 cykli. Następnie narysuj wykres wielkości produkcji wodoru w funkcji cykli.Zanurzyć kolbę Schlenka zawierającą katalizator i 0,5 molowy kwas siarkowy w kąpieli olejowej. Mieszaj reakcję przez dwie godziny, a następnie odfiltruj ciało stałe za pomocą lejka Buchnera. Za każdym razem przemyj ciało stałe 10 mililitrami wody dejonizowanej.Otrzymany odciek rozcieńczyć dalej do 250 mililitrów w kolbie miarowej o pojemności 250 mililitrów i zebrać wypłukane nanocząstki metalu przez suszenie w temperaturze 60 stopni Celsjusza w piecu. Silny i ostry fragment metalicznego kobaltu w wyniku defrakcji promieniowania rentgenowskiego wskazuje na dobrze zdefiniowaną strukturę krystaliczną, która pozostaje niezmieniona po recyklingu. Natomiast wady strukturalne badano za pomocą spektroskopii Ramana.Widmo XPS wykazało obecność każdego pierwiastka, ich wiązanie oraz hybrydyzację atomów węgla podczas tworzenia struktur nanorurek węglowych. Izoterma desorpcji absorpcyjnej wykazała powierzchnię właściwą 42,02 metra kwadratowego na gram i średni rozkład wielkości porów wynoszący 3,6 nanometra. Obrazy SEM i HRTEM przedstawiały pięciomikrometrową strukturę rurkową nanocząstek kobaltu wynikającą z katalizującego wzrostu nanowłókien wraz z ich mapowaniem EDS.Kryształ w strukturze nanocząstki kobaltu został scharakteryzowany przez wybrane pole defrakcji elektronów. Główny korpus nanowłókna węglowego został owinięty kilkoma warstwami węgla o różnych orientacjach i pierścieniach defrakcji. Stwierdzono, że całkowita zawartość metalu określona przez ICP-OES wynosi 25,1% masy, z czego 9,7% wagowo nanocząstki kobaltu i 15,4% wagowo domieszkowane kobalt na nanorurkach węglowych.Zbadano wydajność katalityczną katalizatora i stwierdzono, że do 10. edycji amoniaku z boranem nie było wyraźnego spadku wydajności katalitycznej. Zbadano również prawo szybkości reakcji i określono energię aktywacji na 42,8 kilodżuli na mol. Unikaj przeciążania pieca rurowego prekursorami katalizatorów, ponieważ zbyt wiele produktów rozkładu może zablokować rurę.Upewnij się, że mieszanina ciał stałych jest dobrze wymieszana. Urządzenia o wysokiej energii, takie jak mielenie, mogą być używane w celu ułatwienia mieszania. Katalizatory te mogą być stosowane w innych typach reakcji przemian organicznych i aktywacji małych cząsteczek, takich jak ochrona wodoru przed tworzeniem kwasu, reakcja krzyżowa i synteza organiczna.

synthesis-metal-nanoparticles-supported-on-carbon-nanotube-with-doped

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Dyskutowaliśmy o syntezie pojedynczych nanokubków grafitowych za pomocą szeregu technik, w tym chemicznego osadzania z fazy gazowej, utleniania kwasem i sonikacji końcówki sondy. Poprzez redukcję HAuCl4 za pomocą cytrynianu, grafitowe nanokubki zostały skutecznie zakorkowane nanocząstkami złota ze względu na chemicznie reaktywne krawędzie bańek.

Synteza i funkcjonalizacja kubków z nanorurek węglowych domieszkowanych azotem z nanocząstkami złota jako zatyczkami korkowymi

A "metoda usuwania powłoki ceramicznej" jest przedstawiona w formie wizualnej do syntezy niespiekanych i zakończonych metalem monometalicznych i bimetalicznych nanocząstek wczesnego węglika i azotku metalu przejściowego o regulowanych rozmiarach i strukturach krystalicznych.

Odwrócona synteza mikroemulsji monometalicznych i bimetalicznych nanocząstek węglika i azotku metalu przejściowego we wczesnym okresie przejściowym

Badanie metod generowania wodoru na żądanie dla ogniw paliwowych wciąż zyskuje na znaczeniu. Jednak systemy do pomiaru wydzielania wodoru w wyniku reakcji chemikaliów z wodą mogą być skomplikowane i kosztowne. W tym artykule szczegółowo opisano prostą, tanią i solidną metodę pomiaru wydzielania się wodoru.

Prosty, tani i wytrzymały system do pomiaru objętości wodoru wydzielającego się w reakcjach chemicznych z roztworami wodnymi

Wygodna metoda syntezy bimetalicznych katalizatorów Pt-Cu z nanocząstkami o długości 2 nm do odwodornienia propanu jest opisana tutaj. Techniki synchrotronowego promieniowania rentgenowskiego in situ pozwalają na określenie struktury katalizatora, która jest zwykle nieosiągalna przy użyciu przyrządów laboratoryjnych.

Synteza i testowanie katalizatorów nanocząsteczkowych w roztworze stałym Pt-Cu do odwodornienia propanu

Protokół opisuje syntezę i testy elektrochemiczne nanodrutów platynowo-niklowych. Nanodruty zsyntetyzowano w wyniku galwanicznego przemieszczenia matrycy z nanodrutu niklowego. Przetwarzanie po syntezie, w tym wyżarzanie wodoru, ługowanie kwasem i wyżarzanie tlenowe, wykorzystano do optymalizacji wydajności i trwałości nanodrutów w reakcji redukcji tlenu.

Synteza nanodrutów platynowo-niklowych i optymalizacja pod kątem wydajności redukcji tlenu

Przedstawiono protokół syntezy gąbczastych i fałdowatych nanocząstek Ni1-xNbxO przez chemiczne wytrącanie.

Metoda wytrącania chemicznego do syntezy modyfikowanych katalizatorów niklu Nb2O5 o dużej powierzchni właściwej

Tutaj prezentujemy protokół syntezy i testów elektrochemicznych pojedynczych atomów metali przejściowych skoordynowanych w wakatach grafenu jako aktywnych centrów selektywnej redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla w roztworach wodnych.

Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO2

Dla ciągłej i skalowalnej syntezy nanokompozytów na bazie metali szlachetnych, opracowywany jest nowy reaktor fotokatalityczny, w którym opisano jego strukturę, zasady działania i strategie optymalizacji jakości produktu.

Reaktor fotokatalityczny o przepływie ciągłym do precyzyjnie kontrolowanego osadzania nanocząstek metalicznych

Przedstawiono protokół syntezy HNbWO6, HNbMoO6, HTaWO6 zmodyfikowanych nanoarkuszami kwasów stałych Pt/CNT.

Dostrajanie kwasowości katalizatorów Pt/CNT do hydroodtleniania eteru difenylowego

Ten protokół pokazuje wygodną metodę porównywania właściwości katalitycznych obsługiwanych katalizatorów platynowych, syntetyzowanych przez osadzanie nanometrycznych koloidów lub przez impregnację. Uwodornienie cykloheksenu służy jako reakcja modelowa do określenia aktywności katalitycznej katalizatorów.

Reakcje katalityczne stabilizowanych aminami i wolnych od ligandów nanocząstek platyny na tytanie podczas uwodornienia alkenów i aldehydów

Protokół ten kieruje wytwarzaniem i analizą elektrochemiczną elektrokatalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez MXene do produkcji zielonego paliwa z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii słonecznej.

Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene

Poznaj syntezę nanocząstek kobaltu na nanorurkach węglowych z domieszkami Co i N do produkcji wodoru. Ta metoda oferuje niskokosztowy, wydajny i stabilny katalizator dla odnawialnych źródeł energii.

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru (Wideo) | JoVE Journal

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

Przeglądaj więcej filmów