JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

هنا ، نقدم بروتوكولا لتوليف الجسيمات النانوية Co المدعومة على أنابيب الكربون النانوية مع Co- و N- dopants لإنتاج الهيدروجين.

Abstract

وترد هنا طريقة للتوليف السهل للمحفزات ذات البنية النانوية المدعومة على أنابيب الكربون النانوية مع الكوبالت الموزع ذريا ودوبانت النيتروجين. وتستند الاستراتيجية الجديدة إلى معالجة الانحلال الحراري في وعاء واحد من أسيتيل أسيتيل أسيتيلاستونات الكوبالت (II) والسلائف العضوية الغنية بالنيتروجين تحت الغلاف الجوي AR عند 800 درجة مئوية، مما أدى إلى تكوين أنبوب نانوي كربوني مشترك و N مع مورفولوجيا تشبه دودة الأرض. وجد أن المحفز الذي تم الحصول عليه يحتوي على كثافة عالية من مواقع العيوب ، كما أكد التحليل الطيفي رامان. هنا ، تم تثبيت الجسيمات النانوية الكوبالت (II) على الأنابيب النانوية الكربونية المنشطة بالكوبالت والنيتروجين المنتشرة ذريا. تم تأكيد فعالية المحفز في التحلل المائي الحفاز للأمونيا البوران ، حيث كان تردد الدوران 5.87 mol H 2 ·mol Co-1 ·min-1 ، وتم تحديد معدل توليد الهيدروجين المحدد ليكون 2447 mL H2 ·gCo-1 ·min-1. تم اقتراح وظيفة تآزرية بين الجسيمات النانوية Co والأنابيب النانوية الكربونية المنشطة لأول مرة في التحلل المائي الحفاز لتفاعل الأمونيا البوران تحت ظروف خفيفة. ويمكن أن يكون إنتاج الهيدروجين الناتج عن ذلك بكثافته العالية للطاقة والحد الأدنى من وقت التزود بالوقود مناسبا للتنمية المستقبلية كمصادر للطاقة للتطبيقات المتنقلة والثابتة مثل شاحنات الطرق والرافعات الشوكية في النقل والخدمات اللوجستية.

Introduction

ولا يزال تطوير محفزات منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة لإنتاج الطاقة المتجددة واحدة من أكثر المشاكل حرجا وتحديا للتخفيف من أزمة الطاقة. ومع ذلك ، فهي بعيدة كل البعد عن التطبيقات العملية بسبب العديد من المخاوف ، مثل طرق الإنتاج واسعة النطاق ذات الأداء الموثوق به ، وتكلفة الإنتاج العالية ، والاستقرار طويل الأمد لإطالة عمر خدمة المحفزات. تتطلب قطاعات الصناعة ، مثل النقل والخدمات اللوجستية ، إنتاج الطاقة للمركبات والمعدات ذات ساعات التشغيل الطويلة ، وإمدادات الطاقة العالية ، والحد الأدنى من وقت التزود بالوقود في تحقيق عمليات فعالة1،2،3. ولذلك، تم استغلال الاستراتيجيات الفعالة على نطاق واسع للتصدي للتحديات التقنية المذكورة أعلاه. على سبيل المثال ، من خلال تنظيم البنية الإلكترونية للمواقع النشطة المعدنية ودعامات المحفزات ، وتصميم البنية المحددة للمحفزات النانوية المعدنية ، وضبط التراكيب المعدنية ، وتعديل المجموعة الوظيفية للدعم المرتكز ، وتغيير المورفولوجيا لزيادة عدد المواقع النشطة الجوهرية. في العقود القليلة الماضية ، هيمنت الجسيمات النانوية (NPs) على مجالات مختلف الحفز غير المتجانس ، ويمكن ضبط الأنشطة الحفازة بشكل فعال عن طريق تغيير حجم NPs. فقط حتى السنوات الأخيرة ، ظهرت محفزات الذرة الواحدة (SACs) شديدة التشتت لتكون لها خصائص ممتازة تجاه العديد من التفاعلات الحفازة بسبب بنيتها الإلكترونية الفريدة وبيئة التنسيق. على وجه الخصوص ، أظهرت SACs بالفعل أداء متفوقا في تحويل الطاقة مثل التفاعلات الكهروكيميائية (HER ، ORR ، OER) وأنظمة الطاقة الكهروكيميائية (على سبيل المثال ، المكثفات الفائقة ، البطاريات القابلة لإعادة الشحن) 4،5،6. وفي حين أن لكل من NPs و SACs مزاياها وقيودها في التطبيقات الحفازة ، إلا أن هناك تفاعلات تتطلب كلا من NPs و SACs من أجل تعزيز التفاعل الحفاز. على سبيل المثال ، يمكن أن تسهل NPs Ru المدعومة على البنية الفوقية للأنابيب النانوية الكربونية المشتركة بين Ni و N أكسدة الهواء الرطب الحفازة العالية لحمض الخليك7. وقد ثبت هذا التأثير التآزري أيضا من خلال محفزات Pd1 + NPs / TiO2 لهدرجة الكيتون والألدهيدات الانتقائية للغاية في درجات حرارة الغرفة8. ومن أجل التعجيل بمجال التحفيز التآزري للمحطات النووية والمركبات العضوية المتآزرة واستكشاف المزيد عن تطبيقاتها الحفازة، من المستصوب للغاية اتباع طريقة سهلة لتوليف المحفزات، ولا يزال إدخال أحمال عالية من الموقع النشط المشتت ذريا يمثل تحديا بسبب الميل الكبير لتجميع الساك9.

تم استخدام عدة طرق لتوليف SACs للتطبيقات في هدرجة النيتروجين 10 ، تفاعل تقليل الأكسجين وتفاعل تطور الهيدروجين11,12 ، بطاريات الليثيوم والأكسجين13. والاستراتيجية الأكثر شيوعا هي النهج التصاعدي، الذي تمتص فيه السلائف المعدنية وتخفيضها وتشلحها على عيوب الدعم المقابل. ويمكن أيضا ربط مجمعات المعادن أحادية النواة أولا بالمجموعة الوظيفية من الدعامات، تليها إزالة لاحقة للروابط العضوية، مما يخلق مواقع معدنية نشطة للعملية الحفازة. من المحتمل أن يكون ترسب الطبقة الذرية (ALD) هو الإجراء الأكثر استخداما للتصنيع من أسفل إلى أعلى عن طريق إيداع طبقة رقيقة من الفيلم على الركيزة مع التعرض المتكرر للمواد المتفاعلة. على الرغم من أنه يمكن التحكم بدقة في حجم المحفز ويمكن تحسين التفاعل بشكل كبير14 ، إلا أن نقاء الركيزة كان مطلوبا إلى حد ما ، وكان تحميل المعدن منخفضا نسبيا ، مما أدى إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج للتطبيقات العملية. تم استخدام طرق مختلفة مثل التشريب المباشر ، وهطول الأمطار المشترك ، والترسيب ، لشل حركة الجسيمات النانوية المعدنية على الأسطح الداعمة ، مثل أكسيد المعادن والنتريد ، من خلال تأثيرات الشحن السطحي. ومع ذلك ، فإن زيادة تحميل المعادن عادة ما يؤدي إلى تكتل كبير وتشكيل عنقودي لذرات المعادن أو الجسيمات النانوية. لذلك ، عادة ، عادة ما تكون هناك حاجة إلى محلول معدني مخفف للغاية ، مما يؤدي إلى انخفاض أحمال SACs للمحفزات15. تم استخدام روابط الأمين مثل الفينانثرولين للخضوع للانحلال الحراري مع السلائف المعدنية لإعداد محفزات معدنية مشتتة ذريا مع مواقع نشطة للغاية Co-Nx لإزالة الهيدروجين الانتقائي من حمض الفورميك. غير أن تحميل المعادن كان منخفضا نسبيا (2-3 وزنا) بسبب العدد المحدود من ذرات N المتاحة في سلائف الأمين16.

في العقود القليلة الماضية ، كان ينظر إلى الهيدروجين كبديل محتمل ليحل محل الوقود الأحفوري أو الهيدروكربونات ، مثل الفحم والغاز الطبيعي والبنزين ، بسبب ميزة عدم وجود انبعاثات للأولى. حتى الآن ، لا يزال حوالي 94٪ من الهيدروجين التجاري ينتج من عملية إصلاح الوقود الأحفوري ، حيث تطلق العملية قدرا كبيرا من غازات الدفيئة.17. لذلك ، فإن إنتاج الهيدروجين من الموارد المتجددة مثل التحليل الكهربائي للمياه هو وسيلة لحل مشكلة الموارد الأحفورية المستنفدة وانبعاثات الكربون الشديدة. ومع ذلك ، فإن انخفاض كفاءة إنتاج الهيدروجين قد أعاق تطبيقاتها الأوسع. وبالتالي ، للتغلب على حاجز الطاقة الحركية هذا لتقسيم المياه ، تم اكتشاف العديد من المحفزات الكهربائية الفعالة في العقد الماضي.18. قضية أخرى هي مشكلة التخزين بسبب الطبيعة الغازية والمتفجرة لغاز الهيدروجين في الظروف المحيطة. تتطلب طرق التخزين الفيزيائية مثل الضغط ضغط الهيدروجين حتى 700-800 بار ، وسيتطلب التخزين المبرد عن طريق التسييل درجة حرارة منخفضة عند -253 درجة مئوية.19. وعلى الرغم من أن المركبات التجارية التي تعمل بخلايا وقود الهيدروجين قد أثبتت نجاحها، إلا أن مشكلة التخزين لم تحل بعد إذا أريد استخدام التكنولوجيا في تطبيقات أوسع، مثل الأجهزة المصغرة وخلايا الوقود الصغيرة. وبالتالي ، كانت طرق التخزين لاستخدام المواد الكيميائية H واحدة من المحاور الساخنة في أبحاث طاقة الهيدروجين. بعض الأمثلة على مواد تخزين H الكيميائية هي الأمونيا البوران (AB)20، حمض الفورميك (FA)21غاز الأمونيا,22، ألونات الصوديوم23، وهيدريد المغنيسيوم24. من بين هذه ، AB لديه وزن جزيئي منخفض (30.7 جم · مول-1)، كثافات عالية الجاذبية والحجم (196 جم ساعة)2· كجم-1 و 146 غيغاهرتز2· L-1، على التوالي). إلى جانب ذلك ، فهو مركب مستقر للهواء والرطوبة ، وغير سام ، وقابل للذوبان بدرجة عالية في الماء. تم استخدام الجسيمات النانوية المعدنية على مختلف المواد المدعومة على نطاق واسع لإطلاق المعادلات الثلاثة للهيدروجين من AB ، مثل البلاتين - (Pt-) ، والبلاديوم - (Pd-) ، والروثينيوم - (Ru-) ، والكوبالت - (Co-) ، والنيكل - (Ni-) المحفزات القائمة على الأحلام. تجذب المحفزات غير المتجانسة المشتركة المدعومة بمواد الكربون الكثير من الاهتمام بشكل خاص بسبب تكلفتها المنخفضة ووفرتها العالية وسهولة الاسترداد. تم الإبلاغ عن العديد من الاستراتيجيات الاصطناعية ، مثل Co NPs المدعومة على أكسيد الجرافين المتفرع المزين بالبولي إيثيلينيمين25. يضمن الهيكل ثلاثي الأبعاد ذو المساحة السطحية الكبيرة استقرار NPs Co مع الحفاظ على نطاق حجم 2-3 نانومتر ومنع تجميع NPs. استراتيجية أخرى هي استخدام مواد الكربون N-doped لدعم NPs Co ذات الأحجام الصغيرة. استخدام Co(salen)26 ووزارة المالية المشاركة27 (الإطار العضوي المعدني) كسلائف ، تم إعداد NPs Co من 9.0 نانومتر و 3.5 نانومتر مدعومة بمواد كربونية مسامية منشطة ب N على التوالي. الاستقرار نحو التحلل المائي AB مرتفع ويمكن أن يحافظ التفاعل على أكثر من 95٪ من النشاط الأولي بعد 10 عمليات تفاعل. في الآونة الأخيرة ، تم استغلال المحفزات ذات الهياكل الدقيقة / النانوية المجوفة للتحلل المائي AB. يتم إعداد هذه المواد تقليديا بطرق حرارية مائية وقد استخدمت على نطاق واسع في بطاريات الليثيوم أيون والمكثفات الفائقة وأجهزة الاستشعار الكيميائية وأبحاث التحفيز غير المتجانسة. وهكذا ، فقد تم إثبات التآزر بين النحاس والكوبالت نحو التحلل المائي AB بواسطة CuMoO المجوف4- كومو428، مما يعطي TOF عالية من 104.7 دقيقة-1. تشمل الأمثلة الأخرى التي تعتمد بشكل كبير على البنية CuO-NiO / Co ذات الغلاف الأساسي CuO-NiO / Co3O429، وشركةxمكعب1−xشركة2O4@Coyمكعب1−yشركة2O4 نوع صفار البيض30، والني0.4مكعب0.6شركة2O4 صفائف نانوية31 كما وجد أنها نشطة نحو التحلل المائي AB. وهناك نوع آخر من المواد الناشئة المعروفة باسم المحفزات غير المتجانسة، مثل MXenes والهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات (LDHs)، يتم استغلالها بشكل متزايد للتفاعل الكهروحفزي الضوئي32,33,34,35. هذه المواد مثل الهيدروكسيد المزدوج ذو الطبقات NiFe36,37 ومواد CoB-N التي تحتوي على واجهات غير متجانسة لبوريد الكربون والكوبالت المنشط N38 نشطة بشكل خاص لتطور الأكسجين وتفاعل الاختزال. من حيث المبدأ ، يمكن استغلالها بشكل أكبر لتفاعلات تطور الهيدروجين من مواد تخزين الهيدروجين مثل الأمونيا البوران39. زيادة التفاعل بين المحفزات والركائز إلى أقصى حد هو أيضا استراتيجية أخرى للتحلل المائي AB. استخدم شيانغ وآخرون مجموعة أكسيد السطح من أكسيد الجرافين لتشكيل نوع معقد بدأ مع AB40، وبالتالي ني0.8حزب العمال0.2/ أظهر GO و rGO تفاعلا ممتازا تجاه التحلل المائي AB. ساعد استخدام α-MoC كدعم لمحفزات Co و Ni ثنائية المعدن على تنشيط جزيئات الماء وحقق TOF عاليا نحو التحلل المائي AB ، وهو أعلى بأربع مرات من محفز Pt / C التجاري41.

وبالاستفادة من محتويات N العالية من ثنائي سياندياميد والمواد ذات الصلة C3N4 ، يتم تقديم بروتوكول لتحقيق توليف سهل للكوبالت NPs المدعومة على أنابيب الكربون النانوية Co- و N المنشطة للغاية في هذه الوثيقة. يضمن التكوين التدريجي في الموقع ل Co NPs من Co المشكل المشتت ذريا أثناء الانحلال الحراري لمواد C3N4 أن 1) Co NPs و Co dopants مشتتة للغاية ؛ 2) يمكن أن ترتكز Co NPs بقوة على دعامات الكربون المنشطة و 3) يمكن التحكم في حجم NPs Co بعناية من خلال درجة حرارة ووقت الانحلال الحراري. تم العثور على Co / Co-N-CNT ، نتيجة ل Co NPs الراسخة بقوة وقدرة Co dopants على خفض طاقة الامتزاز لجزيئات الماء ، أن لديها استقرارا فائقا نحو التحلل المائي ل AB لإنتاج الهيدروجين. وستكون تفاصيل البروتوكول الاصطناعي للمحفزات وقياس إنتاج الهيدروجين هي النقطة المحورية في هذا التقرير.

Protocol

تنبيه: ينصح القراء بالتحقق بعناية من خصائص وسمية المواد الكيميائية الموصوفة في هذه الورقة من أجل التعامل السليم مع المواد الكيميائية من صحائف بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS). بعض المواد الكيميائية المستخدمة ضارة بالصحة ، ويجب اتخاذ عناية خاصة. تأثير المواد النانوية على صحة الإنسان غير معروف ويمكن أن يشكل مخاطر على السلامة والصحة. يجب تجنب الاستنشاق والاتصال من خلال الجلد بهذه المواد. كما يجب اتخاذ احتياطات السلامة، مثل إطلاق غاز النفايات أثناء تخليق المحفز إلى غطاء الدخان وتقييم أداء المحفز مع التنفيس السليم لغاز الهيدروجين. ينصح بارتداء معدات الحماية الشخصية في جميع الأوقات. الهيدروجين هو غاز يحتمل أن ينفجر مع نطاق واسع جدا للاشتعال من 4٪ -74٪ في الهواء. يجب الحرص على السماح لغاز الهيدروجين بالتنفيس بشكل صحيح إلى الغلاف الجوي.

1. توليف مواد melem-C 3N4

  1. وزن 280 غرام من ديسياندياميد (الكثافة = 1.4 جم · سم-3) في كوب 800 مل.
  2. ضع الكأس مع المادة الصلبة المذكورة أعلاه في فرن مكتوم وارفع درجة الحرارة ببطء من درجة حرارة الغرفة إلى 350 درجة مئوية مع منحدر من 5 درجات مئوية · دقيقة -1.
  3. حافظ على درجة الحرارة عند 350 درجة مئوية لمدة 2 ساعة ، وقم بتبريد الفرن عن طريق التبريد الطبيعي.
  4. طحن المواد الصلبة البيضاء التي تم الحصول عليها في مسحوق ناعم كمواد C3N4 في شكل ميليم (DCD-350).
    ملاحظة: العائد هو 175 غرام.

2. تلدين مخاليط melem-C 3N4 و Co(acac)2 عند درجة حرارة مختلفة

  1. امزج 10.0 جم من melem-C 3 N 4 مع 0.218 جم من Co(acac)2 [Co : melem-C3N4 = 1:200 (نسبة الوزن)]. طحن وخلط المواد الصلبة اثنين حتى يتم ملاحظة اللون المتجانس.
  2. أضف 6 مل من محلول حمض الستريك (الماء: الإيثانول = 1: 1 ، حمض الستريك = 10 جم · L-1) إلى الخليط المتجانس وزيادة طحن المواد.
  3. جفف المواد في فرن على حرارة 60 درجة مئوية لمدة 6 ساعات.
  4. ضع المواد في بوتقة مربعة الشكل ثم ضعها في فرن أنبوبي.
  5. قم بتسخين المواد بمعدل تسخين 2.6 درجة مئوية · دقيقة -1 من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية واحتفظ بها لمدة 2 ساعة تحت تدفق Ar من 100 mL ·min-1.
  6. قم بتبريد الفرن ببطء عن طريق التبريد الطبيعي.
  7. وزن عينات المحفز. هنا ، كان العائد 0.65 غرام.

3. قياس إطلاق الهيدروجين من التحلل المائي للأمونيا البوران

  1. قم بإعداد نظام الأسطوانات المقلوبة المملوءة بالماء (الشكل التكميلي 1).
  2. قم بإعداد حل الغسيل 0.1 M H2SO4 .
  3. قم بتوصيل قارورة Schlenk بمحلول الغسيل والأسطوانة المقلوبة المملوءة بالماء.
  4. اضبط درجة حرارة الحمام المائي على 40 درجة مئوية.
  5. ضع 0.04 غرام من المحفز في قارورة شلينك.
  6. تحضير محلول الأمونيا البوران في الماء ، مع 0.04 غرام من الأمونيا البوران في 0.948 مل من الماء (التركيز = 0.04 غرام · مل - 1).
  7. حقن 1 مل من محلول NH 3 BH3(40 mg·mL-1) في المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
  8. راقب الانخفاض في مستوى الماء أثناء استمرار التفاعل. سجل بعناية حجم الإنتاج في أوقات محددة ، على سبيل المثال ، كل 5 فترات ثانية.
  9. ارسم الرسم البياني لحجم إنتاج H2 مقابل الوقت بالدقائق.

4. الدراسات الحركية

  1. تحديد طاقة التنشيط
    1. اضبط درجة حرارة الحمام المائي على 40 درجة مئوية.
    2. ضع 0.04 جم من المحفز و 10 مل من الماء في قارورة Schlenk وانغمس في الحمام المائي. سونيك الحل في 40 كيلو هرتز في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 6 دقائق.
    3. حقن 1 مل من محلول NH 3 BH3(40 mg·mL-1) في المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
    4. سجل الوقت اللازم لإكمال إطلاق الهيدروجين.
    5. كرر الخطوات 4.1.1-4.1.4 ضبط درجة حرارة الحمام المائي عند 35 درجة مئوية.
    6. كرر التجربة المذكورة أعلاه عند 30 درجة مئوية و 25 درجة مئوية ، على التوالي.
    7. ارسم ثابت المعدل المحدد مقابل الوقت على رسم بياني باستخدام المعادلة التالية. يجب أن ينتج عن قطعة من ln k و 1 / T خط مستقيم.
      figure-protocol-4007
      حيث يشير ko إلى ثابت المعدل النوعي (mol H 2·g Co-1·min-1) ، R هو ثابت الغاز المثالي (8.314 kJ·mol-1) ، T يمثل درجة حرارة التفاعل (K) ، و A هو العامل ما قبل الأسي (mol H 2 gCo-1 ·min-1).
  2. تحديد تردد الدوران ومعدل توليد الهيدروجين المحدد
    1. احسب تكرار الدوران وفقا للمعادلة التالية:
      figure-protocol-4496
      حيث nH2 هو مولات الهيدروجين المنتجة ، Δt هو الوقت اللازم لإطلاق الهيدروجين الكامل و nM هو الكمية المولية للمعدن في المحفز.
    2. احسب معدل توليد الهيدروجين المحدد وفقا للمعادلة التالية42,43:
      figure-protocol-4846
      عندما يكون ΔVH2 هو حجم الهيدروجين المنتج ، t هو الوقت اللازم لمراحل البدء والاستقرار (على سبيل المثال ، الوقت الذي يتم فيه توليد 70 مل من الهيدروجين ل 40 ملغ من الأمونيا البوران ، وهو الوقت الذي يتم فيه توليد 140 مل من الهيدروجين ل 80 ملغ من الأمونيا البوران) و ωM هو كتلة المعدن في المحفز.
  3. تحديد العلاقة بين [الأمونيا البوران] ومعدل التفاعل
    1. اضبط درجة حرارة الحمام المائي على 40 درجة مئوية.
    2. ضع 40 ملغ من المحفز و 10 مل من الماء في قارورة Schlenk وانغمس في الحمام المائي. سونيك الحل في 40 كيلو هرتز في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 6 دقائق.
    3. حقن 1 مل من محلول NH 3 BH3(40 mg·mL-1) في المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
    4. سجل الوقت اللازم لإكمال إطلاق الهيدروجين.
    5. كرر الخطوة 4.3.3 حقن 2 مل من محلول NH 3 BH3(أي 80 ملغ لكل 2 مل) إلى المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
    6. كرر الخطوات 4.3.1-4.3.4 مع 0.5 مل و 0.25 مل من محلول NH3BH3 (40 ملغم / مل) على التوالي لتسجيل وقت الانتهاء من إطلاق الهيدروجين.
    7. احسب معدل التفاعل وفقا للمعادلة44 التالية:
      figure-protocol-6069
      حيث ΔmlH2 هو حجم الهيدروجين المنتج ، Δt هو الوقت اللازم لإطلاق 70 مل من الهيدروجين.
    8. ارسم معدل ln مقابل ln [الأمونيا البوران] وأوجد ميل الرسم البياني.
  4. تحديد العلاقة بين [المحفزات] ومعدل الإنتاج
    1. اضبط درجة حرارة الحمام المائي على 40 درجة مئوية.
    2. ضع 40 ملغ من المحفز و 10 مل من الماء في قارورة Schlenk وانغمس في الحمام المائي. سونيك الحل في 40 كيلو هرتز في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 6 دقائق.
    3. حقن 1 مل من محلول NH 3 BH3(40 mg·mL-1) في المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
    4. سجل الوقت اللازم لإكمال إطلاق الهيدروجين.
    5. كرر الخطوات 4.4.1-4.4.4 مع تغيير كمية المحفز (20 ملغ ، 40 ملغ ، 60 ملغ ، 80 ملغ) وحقن 1 مل من محلول NH3BH3 (أي 40 ملغ · مللي لتر -1) في المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
    6. سجل الوقت اللازم لإكمال إطلاق الهيدروجين لاستخدام كميات المحفزات المختلفة المذكورة أعلاه.
    7. احسب معدل التفاعل وفقا للمعادلة44 التالية:
      figure-protocol-7162
      حيث ΔmlH2 هو حجم الهيدروجين المنتج ، Δt هو الوقت اللازم لإطلاق 70 مل من الهيدروجين.
    8. ارسم معدل ln مقابل ln[catalyst] وحدد ميل الرسم البياني.

5. اختبار أداء ركوب الدراجات

  1. اضبط درجة حرارة الحمام المائي على 40 درجة مئوية.
  2. ضع 0.04 جم من المحفز و 10 مل من الماء في قارورة Schlenk وانغمس في الحمام المائي. سونيك الحل في 40 كيلو هرتز في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 6 دقائق.
  3. حقن 1 مل من محلول NH 3 BH3(40 mg·mL-1) في المفاعل لبدء تفاعل التحلل المائي.
  4. سجل الوقت اللازم لإكمال إطلاق الهيدروجين.
  5. قم بتصفية المحفز ، وغسله بالماء (5 مل) ثلاث مرات ، ثم جفف المحفز في الفرن (60 درجة مئوية) لمدة 3 ساعات.
  6. ضع المحفز في 10 مل من الماء وقم بسونيك المحلول عند 40 كيلو هرتز في حمام بالموجات فوق الصوتية.
  7. كرر الخطوات 5.1.3-5.1.5 لمدة عشر مرات.
  8. ارسم حجم إنتاج الهيدروجين و TOF ومعدل التوليد المحدد مقابل الدورات ، على التوالي.

6. تجربة الترشيح ل NPs المعدنية للحصول على SAs المعادن النقية CNT

  1. اضبط درجة حرارة حمام الزيت على 80 درجة مئوية.
  2. ضع 0.15 جم من المحفز و 50 مل من 0.5 M H2SO4 في قارورة Schlenk وانغمس في حمام الزيت.
  3. حرك التفاعل لمدة 2 ساعة.
  4. قم بتصفية المادة الصلبة باستخدام قمع Buchner واغسل المادة الصلبة بالماء منزوع الأيونات (3x في 10 مل لكل منهما). قم بتخفيف المادة المرتشحة إلى 250 مل في قارورة حجمية سعة 250 مل.
  5. اجمع المواد الصلبة المرتشحة بالجسيمات النانوية المعدنية (التي تحتوي فقط على CNT المنشط المشترك) وجففها عند 60 درجة مئوية في الفرن.

7. تحديد المحتوى المعدني باستخدام التحليل الطيفي للانبعاثات البصرية للبلازما المقترنة بالحث (ICP-OES)

  1. تحديد إجمالي محتوى معدن الكوبالت
    1. ضع ما يقرب من 0.02 جم من المحفز المحضر من القسم 2 إلى 50 مل من محلول حمض 2 M (HCl: HNO3 = 3: 1 نسبة الخلد) 45,46 في الأوتوكلاف الفولاذي المقاوم للصدأ المبطن بالبولي تترافلورو إيثيلين.
    2. ضع الحاوية المبطنة بالبولي تترافلورو إيثيلين في القنبلة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وقم بتأمين الغطاء.
    3. ضع القنبلة في فرن ، واضبط درجة الحرارة على 180 درجة مئوية ، وقم بتسخين القنبلة لمدة 12 ساعة.
    4. قم بإزالة القنبلة وإفراغ المحتويات. قم بتصفية المادة الصلبة وتخفيف المذاب في قارورة حجمية سعة 250 مل مع 200 مل من الماء منزوع الأيونات.
      ملاحظة: الغرض من التخفيف هو ضبط تركيز عينات برنامج المقارنات الدولية، التي ستتناسب مع نطاق التركيز القياسي المعدني، أي 0-40 جزء في المليون.
    5. قم بتشغيل اختبار ICP-OES للحل وحساب المبلغ الإجمالي لشركة Co بالوزن٪.
  2. تحديد محتوى ذرات الكوبالت على CNT
    1. ضع ما يقرب من 0.02 جم من المحفز المحضر من الخطوة 6.5 إلى 50 مل من محلول حمض 2 M (HCl: HNO 3 = نسبة الخلد3: 1)45,46 في الأوتوكلاف الفولاذي المقاوم للصدأ المبطن بالبولي تترافلورو إيثيلين.
    2. ضع الحاوية المبطنة بالبولي تترافلورو إيثيلين في القنبلة المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ وقم بتأمين الغطاء.
    3. ضع القنبلة في فرن ، واضبط درجة الحرارة على 180 درجة مئوية ، وقم بتسخين القنبلة لمدة 12 ساعة.
    4. قم بإزالة القنبلة وإفراغ المحتويات. قم بتصفية المادة الصلبة وتخفيف المذاب في قارورة حجمية سعة 250 مل مع 200 مل من الماء منزوع الأيونات.
      ملاحظة: الغرض من التخفيف هو ضبط تركيز عينات برنامج المقارنات الدولية، التي ستتناسب مع نطاق التركيز القياسي المعدني، أي 0-40 جزء في المليون.
    5. قم بتشغيل اختبار ICP-OES للمحلول واحسب كمية محتويات ذرة Co بالوزن٪.
  3. تحديد محتوى جسيمات الكوبالت النانوية (NPs)
    1. الفرق بين المحتوى المعدني ل 7.1.5 و 7.2.5 هو الوزن ٪ من Co NPs.

النتائج

تم الحصول على أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) لتحديد بلورة وحجم NPs الكوبالت. وكما هو مبين في الشكل 1، كانت قمم الحيود المقابلة للمستويات (111) و (200) و (220) (عند 2θ من 44.2 درجة و 51.5 درجة و 75.8 درجة على التوالي) من المرحلة المكعبة من الكوبالت المعدني موجودة بالاتفاق مع ملف حيود الطاقة JCPDS ...

Discussion

أصبحت طريقة الانحلال الحراري واحدة من الاستراتيجيات القوية في تخليق المواد النانوية أحادية البعد على مختلف الدعامات الصلبة المنشطة بالذرة غير المتجانسة مع أحجام خاضعة للرقابة من NPs. فعلى سبيل المثال، أبلغ Guo et al.56 عن استراتيجية الانحلال الحراري المحصور في الفضاء النانوي. باخ...

Disclosures

ليس لدينا ما نكشف عنه.

Acknowledgements

تم تمويل هذا العمل بالكامل من قبل لجنة المنح الجامعية في هونغ كونغ - خطة التطوير المؤسسي (IDS) منحة البحوث التعاونية ، رقم المنحة UGC / IDS (C) 14 / B (E) 01/19 ، مخطط تطوير أعضاء هيئة التدريس (FDS) ، رقم المنحة UGC / FDS25 / E08 / 20 وبتمويل جزئي من مخطط التطوير المؤسسي (IDS) ، رقم المنحة UGC / IDS (R) 25/20.

.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
DicyandiamideSigma AldrichD76609
Borane-ammonia complexAladdinB131882-100g
Citric acid, 99%Sigma AldrichC0759
Cobalt metal standard solution, traceable to SRM from NIST Co(NO3)2 in HNO3 0.5 mol/l 1000 mg/l Co CertipurSigma Aldrich1.19785
Cobalt(II) acetylacetonate, ≥ 99%Sigma Aldrich727970
Hydrochloric acid, ACS reagentSigma Aldrich320331-2.5L
ICP-OESICP-OES with dichroic spectral combiner (Agilent 5110)
Muffle furnaceHigh Performance Hybrid Muffle furnace, Chamber: (360 x 250 x 320) mm, Exterior: (610 x 545 x 500) mm, Power(3100W), Vulcan 3-1750)
Nitric acid, puriss. p.a., 65.0-67.0%Sigma Aldrich84378
Sulphuric acid, ACS reagent 95-98%Sigma Aldrich258105
Tubular furnaceOTF-1200X with tube size of 60 mm outer diameter (Hefei Kejing)
Ultrasonic bath10L Digital Single Frequency 40 kHz Ultrasonic Cleaner (Biobase)

References

  1. Di Ilio, G., Di Giorgio, P., Tribioli, L., Bella, G., Jannelli, E. Preliminary design of a fuel cell/battery hybrid powertrain for a heavy-duty yard truck for port logistics. Energy Conversion and Management. , 243 (2021).
  2. Imdahl, C., et al. Potentials of hydrogen technologies for sustainable factory systems. 28th CIRP Conference on Life Cycle Engineering. , 583-588 (2021).
  3. Keller, A. V., Karpukhin, K. E., Kolbasov, A. F., Kozlov, V. N. Analysis of hydrogen use as an energy carrier in transport. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 1159, 012087 (2021).
  4. Sun, B. -. W., Li, H. -. J., Yu, H. -. Y., Qian, D. -. J., Chen, M. In situ synthesis of polymetallic Co-doped g-C3N4 photocatalyst with increased defect sites and superior charge carrier properties. Carbon. 117, 1-11 (2017).
  5. Zhang, Y., et al. Biomass chitosan derived cobalt/nitrogen-doped carbon nanotubes for the electrocatalytic oxygen reduction reaction. Journal of Materials Chemistry A. 6 (14), 5740-5745 (2018).
  6. Sun, J. -. F., et al. Isolated single atoms anchored on N-doped carbon materials as a highly efficient catalyst for electrochemical and organic reactions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8 (39), 14630-14656 (2020).
  7. Jin, C., et al. Single-atom nickel confined nanotube superstructure as support for catalytic wet air oxidation of acetic acid. Communications Chemistry. 2 (1), (2019).
  8. Kuai, L., et al. Titania supported synergistic palladium single atoms and nanoparticles for room temperature ketone and aldehydes hydrogenation. Nature Communications. 11 (1), 48 (2020).
  9. Yang, X. -. F., et al. Single-atom catalysts: A new frontier in heterogeneous catalysis. Accounts of Chemical Research. 46 (8), 1740-1748 (2013).
  10. Sun, X., et al. Single cobalt sites in mesoporous N-doped carbon matrix for selective catalytic hydrogenation of nitroarenes. Journal of Catalysis. 357, 20-28 (2018).
  11. Sun, T., et al. Single-atomic cobalt sites embedded in hierarchically ordered porous nitrogen-doped carbon as a superior bifunctional electrocatalyst. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (50), 12692-12697 (2018).
  12. Wan, G., et al. Engineering single-atom cobalt catalysts toward improved electrocatalysis. Small. 14 (15), 1704319 (2018).
  13. Wang, P., et al. Atomically dispersed cobalt catalyst anchored on nitrogen-doped carbon nanosheets for lithium-oxygen batteries. Nature Communications. 11 (1), 1576 (2020).
  14. Yan, H., et al. Bottom-up precise synthesis of stable platinum dimers on graphene. Nature Communications. 8 (1), 1070 (2017).
  15. Qiao, B., et al. Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx. Nature Chemistry. 3 (8), 634-641 (2011).
  16. Tang, C., et al. A stable nanocobalt catalyst with highly dispersed CoNx active sites for the selective dehydrogenation of formic acid. Angewandte Chemie International Edition. 56 (52), 16616-16620 (2017).
  17. Gnanapragasam, N. V., Rosen, M. A. A review of hydrogen production using coal, biomass and other solid fuels. Biofuels. 8 (6), 725-745 (2017).
  18. Wang, S., Lu, A., Zhong, C. J. Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts. Nano Convergence. 8 (1), 4 (2021).
  19. Demirci, U. B. About the technological readiness of the H2 generation by hydrolysis of B(-N)-H compounds. Energy Technology. 6 (3), 470-486 (2018).
  20. Wu, H., et al. Metal-catalyzed hydrolysis of ammonia borane: Mechanism, catalysts, and challenges. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (55), 30325-30340 (2020).
  21. Singh, A. K., Singh, S., Kumar, A. Hydrogen energy future with formic acid: a renewable chemical hydrogen storage system. Catalysis Science & Technology. 6 (1), 12-40 (2016).
  22. Grinberg, A., Shter, G. E., Grader, G. S. Nitrogen-based alternative fuels: Progress and future prospects. Energy Technology. 4 (1), 7-18 (2016).
  23. Ley, M. B., Meggouh, M., Moury, R., Peinecke, K., Felderhoff, M. Development of hydrogen storage tank systems based on complex metal hydrides. Materials. 8 (9), 5891-5921 (2015).
  24. Wang, H., Lin, H. J., Cai, W. T., Ouyang, L. Z., Zhu, M. Tuning kinetics and thermodynamics of hydrogen storage in light metal element based systems - A review of recent progress). Journal of Alloys and Compounds. 658, 280-300 (2016).
  25. Li, M., Hu, J., Lu, H. A stable and efficient 3D cobalt-graphene composite catalyst for the hydrolysis of ammonia borane. Catalysis Science & Technology. 6 (19), 7186-7192 (2016).
  26. Wang, H., Zhao, Y., Cheng, F., Tao, Z., Chen, J. Cobalt nanoparticles embedded in porous N-doped carbon as long-life catalysts for hydrolysis of ammonia borane. Catalysis Science & Technology. 6 (10), 3443-3448 (2016).
  27. Zhou, L., et al. Ultrasmall cobalt nanoparticles supported on nitrogen-doped porous carbon nanowires for hydrogen evolution from ammonia borane. Materials Horizons. 4 (2), 268-273 (2017).
  28. Feng, Y., et al. Sea-urchin-like hollow CuMoO4-CoMoO4 hybrid microspheres, a noble-metal-like robust catalyst for the fast hydrogen production from ammonia borane. ACS Applied Energy Materials. 4 (1), 633-642 (2021).
  29. Liao, J., et al. CuO-NiO/Co3O4 hybrid nanoplates as highly active catalyst for ammonia borane hydrolysis. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (15), 8168-8176 (2020).
  30. Lu, D., et al. A simple and scalable route to synthesize Cox Cu1-x Co2O4@CoyCu1-yCo2O4 yolk-shell microspheres, a high-performance catalyst to hydrolyze ammonia borane for hydrogen production. Small. 15 (10), 1805460 (2019).
  31. Feng, Y., et al. Durable and high performing Ti supported Ni0.4Cu0.6Co2O4 nanoleaf-like array catalysts for hydrogen production. Renewable Energy. 169, 660-669 (2021).
  32. Prabhu, P., Jose, V., Lee, J. M. Heterostructured catalysts for electrocatalytic and photocatalytic carbon dioxide reduction. Advanced Functional Materials. 30 (24), (2020).
  33. Wang, H., et al. Electronic modulation of non-van der Waals 2D electrocatalysts for efficient energy conversion. Advanced Materials. 33 (26), 2008422 (2021).
  34. Wang, H., Lee, J. -. M. Recent advances in structural engineering of MXene electrocatalysts. Journal of Materials Chemistry A. 8 (21), 10604-10624 (2020).
  35. Prabhu, P., Lee, J. M. Metallenes as functional materials in electrocatalysis. Chemical Society Reviews. 50 (12), 6700-6719 (2021).
  36. Lin, Y., et al. Co-induced electronic optimization of hierarchical NiFe LDH for oxygen evolution. Small. 16 (38), 2002426 (2020).
  37. Li, M., et al. Gd-induced electronic structure engineering of a NiFe-layered double hydroxide for efficient oxygen evolution. Journal of Materials Chemistry A. 9 (5), 2999-3006 (2021).
  38. Jose, V., et al. Highly efficient oxygen reduction reaction activity of N-doped carbon-cobalt boride heterointerfaces. Advanced Energy Materials. 11 (17), (2021).
  39. Qiu, X., et al. Hydrogen generation from ammonia borane hydrolysis catalyzed by ruthenium nanoparticles supported on Co-Ni layered double oxides. Sustainable Energy & Fuels. 5 (8), 2301-2312 (2021).
  40. Prabu, S., Chiang, K. -. Y. Improved catalytic effect and metal nanoparticle stability using graphene oxide surface coating and reduced graphene oxide for hydrogen generation from ammonia-borane dehydrogenation. Materials Advances. 1 (6), 1952-1962 (2020).
  41. Ge, Y., et al. Maximizing the synergistic effect of CoNi catalyst on α-MoC for robust hydrogen production. Journal of the American Chemical Society. 143 (2), 628-633 (2020).
  42. Duan, S., et al. Magnetic Co@g-C3N4 core-shells on rGO sheets for momentum transfer with catalytic activity toward continuous-flow hydrogen generation. Langmuir. 32 (25), 6272-6281 (2016).
  43. Zhang, H., et al. Birdcage-type CoOx-carbon catalyst derived from metal-organic frameworks for enhanced hydrogen generation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (11), 9782-9792 (2019).
  44. Semiz, L. Dehydrogenation of ammonia borane by dealloyed ruthenium catalysts. Inorganic and Nano-Metal Chemistry. 51 (1), 20-26 (2020).
  45. Bulut, A., et al. Carbon dispersed copper-cobalt alloy nanoparticles: A cost-effective heterogeneous catalyst with exceptional performance in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia-borane. Applied Catalysis B: Environmental. 180, 121-129 (2016).
  46. Akbayrak, S., Tonbul, Y., Özkar, S. Ceria supported rhodium nanoparticles: Superb catalytic activity in hydrogen generation from the hydrolysis of ammonia borane. Applied Catalysis B: Environmental. 198, 162-170 (2016).
  47. International Centre for Diffraction Data. Powder diffraction file PDF-2 data base international center for diffraction data JCPDS-ICDD 1999 in JCPDS database. International Centre for Diffraction Data. , (2021).
  48. Zhang, J., Zhao, Z., Xia, Z., Dai, L. A metal-free bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and oxygen evolution reactions. Nature Nanotechnology. 10 (5), 444-452 (2015).
  49. Cao, B., et al. Tailoring the d-band center of N-doped carbon nanotube arrays with Co4N nanoparticles and single-atom Co for a superior hydrogen evolution reaction. NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).
  50. Varga, T., et al. Co4N/nitrogen-doped graphene: A non-noble metal oxygen reduction electrocatalyst for alkaline fuel cells. Applied Catalysis B: Environmental. 237, 826-834 (2018).
  51. Li, H., Gan, S., Wang, H., Han, D., Niu, L. Intercorrelated superhybrid of AgBr supported on graphitic-C3N4-decorated nitrogen-doped graphene: High engineering photocatalytic activities for water purification and CO2 reduction. Advanced Materials. 27 (43), 6906-6913 (2015).
  52. Zhao, S., et al. One-pot pyrolysis method to fabricate carbon nanotube supported Ni single-atom catalysts with ultrahigh loading. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5286-5297 (2018).
  53. Dilpazir, S., et al. Cobalt single atoms immobilized N-doped carbon nanotubes for enhanced bifunctional catalysis toward oxygen reduction and oxygen evolution reactions. ACS Applied Energy Materials. 1 (7), 3283-3291 (2018).
  54. Cao, L., et al. Identification of single-atom active sites in carbon-based cobalt catalysts during electrocatalytic hydrogen evolution. Nature Catalysis. 2 (2), 134-141 (2018).
  55. Fu, Z. C., et al. Highly efficient hydrolysis of ammonia borane by anion (-OH, F-, Cl-)-tuned interactions between reactant molecules and CoP nanoparticles. Chemical Communications. 53 (4), 705-708 (2017).
  56. Hou, C. -. C., et al. Tailoring three-dimensional porous cobalt phosphides templated from bimetallic metal-organic frameworks as precious metal-free catalysts towards the dehydrogenation of ammonia-borane. Journal of Materials Chemistry A. 7 (14), 8277-8283 (2019).
  57. Peng, C. Y., et al. Nanostructured Ni2P as a robust catalyst for the hydrolytic dehydrogenation of ammonia-borane. Angewandte Chemie International Edition English. 54 (52), 15725-15729 (2015).
  58. Xu, Q., Chandra, M. Catalytic activities of non-noble metals for hydrogen generation from aqueous ammonia-borane at room temperature. Journal of Power Sources. 163 (1), 364-370 (2006).
  59. Kalidindi, S. B., Sanyal, U., Jagirdar, B. R. Nanostructured Cu and Cu@Cu2O core shell catalysts for hydrogen generation from ammonia-borane. Physical Chemistry - Chemical Physics. 10, 5870-5874 (2008).
  60. Ning, X., Yu, H., Peng, F., Wang, H. Pt nanoparticles interacting with graphitic nitrogen of N-doped carbon nanotubes: Effect of electronic properties on activity for aerobic oxidation of glycerol and electro-oxidation of CO. Journal of Catalysis. 325, 136-144 (2015).
  61. Li, Z., et al. Covalent triazine framework supported non-noble metal nanoparticles with superior activity for catalytic hydrolysis of ammonia borane: from mechanistic study to catalyst design. Chemical Science. 8 (1), 781-788 (2017).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

178

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved