سنتز نانوفیبر کربنی بر پایه‌ی زیست توده با استفاده از نانوکپسول های نیکل ـ کبالت به عنوان الکتروکاتالیست مؤثر برای واکنش احیا و تولید اکسیژن

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی، واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران

چکیده

توسعه­ ی کاتالیست­ های ارزان با کارایی بالا و استفاده از منابع تجدیدپذیر برای کاربرد در واکنش­ های احیا و تولید اکسیژن مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در این مطالعه، از نمک‎ های نیکل، کبالت و گیاه southern cattaill یا karrapo (KP) ، زیست توده قابل دسترس، به ‎عنوان مواد اولیه استفاده شد. با استفاده از روش سل- ژل نمک­ های نیکل، کبالت و KP  در اتوکلاو در دمای °C  200 به مدت 12 ساعت و سپس در دمای °C700 به مدت 3 ساعت پیرولیز شد و سرانجام نانوکامپوزیت NFKP/Ni-Co سنتز شد. ساختار، ترکیب، ریخت­ شناسی و فعالیت کاتالیستی نانوکامپوزیت سنتز شده موردبررسی قرار گرفت. ریخت ­شناسی سطح توسط  TEM به روشنی تشکیل نانوفیبرهای KP که به طور یکنواخت با ذره­ های نیکل اکسید ـ کبالت با قطر به تقریب 20 نانومتر پوشیده شده را نشان داد. KP، به عنوان قالبی مانند قایق عمل کرده و ترکیب­ های کبالت و نیکل را در خود جای داده است. به دلیل اثر هم­ افزایی بین KP و اکسیدهای Ni-Co نانوکامپوزیت NFKP/Ni-Co فعالیت کاتالیستی چشمگیر برای واکنش احیای اکسیژن با پتانسیل آغازین V15/0-، پتانسیل نیمه موج V32/0-، دانسیته جریان پیک mA/cm225/0 و دانسیته جریان حدی mA/ cm2  23/0 که قابل مقایسه با کاتالیست Pt/C تجاری است را نشان داد.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[3] Zhang J., Lv M., Liu D., Du L., Liang Z., Nitrogen-Doped Carbon Nanoflower with Superior ORR Performance in Both Alkaline and Acidic Electrolyte and Enhanced Durability, International Journal Of Hydrogen Energy, 43 (9): 4311-4320 (2018).
[6] Gao M., Liu X., Irfan M., Shi J., Wang X., Zhang P., Nickle-Cobalt Composite Catalyst-Modified Activated Carbon Anode for Direct Glucose Alkaline Fuel Cell, International Journal Of Hydrogen Energy, 43: 1805-1815 (2018).
[7] Lin S., Shi X., Yang H., Fan D., Wang Y., Bi K., Reduced Graphene Oxide-NiCo2O4 Nanoflowers as Efficient  Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction, Journal of Alloys and Compounds, 720: 147-155 (2017).
[8] Carenco S., Wu C.-H., Shavorskiy A., Alayoglu S., Somorjai G.-A., Bluhm H., Salmeron M., Synthesis and Structural Evolution of Nickel–Cobalt Nanoparticles under H2 and CO2, Small, 11 (25): 3045-3053 (2015).
[9] Fan D., Lv X., Feng J., Zhang S., Bai J., Lu R., Liu J., Cobalt Nickel Nanoparticles Encapsulated Within Hexagonal Boron Nitride as Stable, Catalytic Dehydrogenation Nanoreactor, International Journal of Hydrogen Energy, 42 (16): 11312-11320 (2017).
[11] Farzaneh A., Saghatoleslami N., Goharshadi E.-K., Gharibi H., Ahmadzadeh H., 3-D Mesoporous Nitrogen-Doped Reduced Graphene Oxide as an Efficient Metal-Free Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Fuel Cells: Role of Π and Lone Pair Electrons, Electrochimica Acta, 222: 608-618 (2016).
[12] Tian X., Zhou M., Tan C., Li M., Liang L., Li K., Su P., KOH Activated N-Doped Novel Carbon Aerogel As Efficient Metal-Free Oxygen Reduction Catalyst For Microbial Fuel Cells, Chemical Engineering Journal, 348: 775-785 (2018).
[13] Tong J., Ma W., Wang W., Ma J., Li W., Bo L., Fan H., Nitrogen/Phosphorus Dual-Doped Hierarchically Porous Graphitic Biocarbon with Greatly Improved Performance on Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media, Journal of Electroanalytical Chemistry, 809: 163-170 (2018).
[14] Deng L., Yuan Y., Zhang Y., Wang Y., Chen Y., Yuan H., Chen Y., Alfalfa Leaf-Derived Porous Heteroatom-Doped Carbon Materials as Efficient Cathodic Catalysts in Microbial Fuel Cells, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5: 9766-9773 (2017).
[15] Amiri M., Golmohammadi  F., Biomass Derived Hierarchical 3D Graphene Framework for High Performance Energy Storage Devices, Journal Of Electroanalytical Chemistry, 849: 113388 (2019)
[16] Golmohammadi F., Gharibi H., Sadeghi S., Synthesis And Electrochemical Characterization of Binary Carbon Supported Pd3Co Nanocatalyst for Oxygen Reduction Reaction in Direct Methanol Fuel Cells, International Journal of Hydrogen Energy, 41 (18): 7373-7387 (2016).
[17] Sachin Kumar B., Kalpathy S.K., Anandhan S., Synergism of Fictitious Forces on Nickel Cobaltite Nanofibers: Electrospinning Forces Revisited, Physical Chemistry Chemical Physics, 20 (7): 5295-5304 (2018).
[18] Jiang Y., Tang C., Zhang H., Shen T., Zhang C., Liu S., Hierarchical Walnut-Like Ni0.5Co0.5O Hollow Nanospheres Comprising Ultra-Thin Nanosheets for Advanced Energy Storage Devices, Journal Of Materials Chemistry A, 5 (12): 5781-5790 (2017).
[19] Zhao Y., Ma H., Huang S., Zhang X., Xia M., Tang Y., Ma Z.F., Monolayer Nickel Cobalt Hydroxyl Carbonate for High Performance All-Solid-State Asymmetric Supercapacitors, ACS Applied Materials & Interfaces, 8 (35): 22997-23005 (2016).
[20] Xu X., Chen S., Xiao C., Xi K., Guo C., Guo S., Ding S., Yu D., Kumar R.V., Rational Design of NiCoO2@SnO2 Heterostructure Attached on Amorphous Carbon Nanotubes with Improved Lithium Storage Properties, ACS Applied Materials & Interfaces, 8 (9): 6004-6010 (2016).
[21] Ensafi A.A., Moosavifard S.E., Rezaei B., Kaverlavani S.K., Engineering Onion-Like Nanoporous CuCo2O4 Hollow Spheres Derived From Bimetal–Organic Frameworks for High-Performance Asymmetric Supercapacitors, Journal of Materials Chemistry A, 6 (22): 10497-10506 (2018).
[22] Molina-García M.A., Rees N.V., “Metal-Free” Electrocatalysis: Quaternary-Doped Graphene and the Alkaline Oxygen Reduction Reaction, Applied Catalysis A: General, 553: 107-116 (2018).
[24] Zhu L., Wu J., Zhang Q., Li X., Li Y., Cao X., Chemical-Free Fabrication of N, P Dual-Doped Honeycomb-Like Carbon as an Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction, Journal of Colloid and Interface Science, 510: 32-38 (2018).
[25] Khalafallah D., Alothman O.Y., Fouad H., Khalil K.A., Nitrogen and Carbon Functionalized Cobalt Phosphide as Efficient Non-Precious Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysis in Alkaline Environment, Journal of Electroanalytical Chemistry, 809: 96-104 (2018).
[26] Li F., Li L., Wang W., Gao J., A New Facile Approach to Prepare Reduced Graphene Oxide and MoO2/Reduced Graphene Oxide as Electrode Materials for Oxygen Reduction Reactions, Journal of Colloid and Interface Science, 519: 194-202 (2018).
[28] Takako Toda H.I., Uchida H., Watanabe M., Enhancement of the Electroreduction of Oxygen on Pt Alloys with Fe, Ni, and Co, Journal of the Electrochemical Society, 146 (10): 3750-3756 (1999).
[30] Wang Y., Wang Z., Wu X., Liu X., Li M., Synergistic Effect Between Strongly Coupled Coal Layered Double Hydroxides and Graphene for the Electrocatalytic Reduction of Oxygen, Electrochimica Acta, 192: 196-204 (2016).