Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Zwaar grafiet-gepumpte stikstof-gedopeerde hoog-porositeit koolstof uit nierenboon-biomassa voor robuuste zuurstofreductie-elektrokatalyse

Samenvatting

Grootschalige fabricatie van actieve, stabiele, poreuze koolstofkatalysatoren voor de zuurstofreductiereactie (ORR) uit eiwitrijke biomassa is een focuspunt in brandstofcelonderzoek. We presenteren een gestroomlijnde, twee-staps pyrolysebenadering die zinkchloride-activatie en zuuraugting koppelt om stikstof-gedopeerde, hoog-porositeit nanokoolstoffen te produceren. Nierenboon, een eiwitrijke en gemakkelijk beschikbare grondstof, fungeert als enige koolstof-stikstofbron. Het resulterende materiaal, KB350Z-900, levert ORR-elektrokatalytische prestaties die die van commerciële 20 wt% Pt/C evenaren of overtreffen, terwijl het superieure duurzaamheid en methanol-tolerantie vertoont. Deze bevindingen benadrukken het potentieel van biomassa-afgeleide, grafiet-stikstof-rijke koolstoffen als kosteneffectieve, hoog-presterende ORR-katalysatoren.

Achtergrond

Platina (Pt)-gebaseerde elektrokatalysatoren domineren brandstofceltechnologie, maar worden gehinderd door hoge kosten, beperkte beschikbaarheid en slechte methanol-tolerantie tijdens de ORR [1]. Daarom heeft de wetenschappelijke gemeenschap zich gericht op het ontwikkelen van hoog-actieve, duurzame en goedkope alternatieven. Heteroatoom-gedopeerde poreuze koolstoffen (HDPC) zijn veelbelovende metaalvrije katalysatoren uitgekomen, die hoge activiteit, robuustheid en hernieuwbaarheid bieden [2-6]. Echter, de meeste HDPC's worden gesynthetiseerd via kostbare chemische routes of complexe sjablonen, wat hun grootschalige adoptie belemmert [7,8]. Daarom blijft een rationele, schaalbare en hoge-opbrengst synthesestrategie een kritieke uitdaging voor ORR-katalysatoren van de volgende generatie.

Eiwitrijke biomassa zoals nori [9], zoete aardappelranken [10], pompelmoes-schillen [11], enoki-paddenstoelen [12], coprinus comatus [13] en Lemna minor [14] is aangetoond als enkelvoudige bron-precursoren voor HDPC's. Recent werk toonde aan dat hogetemperatuur-verkooling van vis-schilafval in aanwezigheid van zinkchloride een 3-D poreus netwerk genereert met superieure ORR-activiteit [6]. Belangrijk kan een voorlopige voorbehandelingsstap zowel de koolstofstructuur als de stikstofincorporatie-efficiëntie verbeteren. Op deze inzichten bouwend, rapporteren we de eerste synthese van zwaar grafiet-stikstof-gedopeerde, hoog-porositeit koolstoffen (KB350Z-900) afgeleid van witte nierenboon (KB) biomassa via een twee-staps pyrolyse, zinkchloride-activatie en zuur-augting sequentie. Witte nierenboon is overvloedig, goedkoop en rijk aan eiwit (20-30% in droge massa). Onze kennis naar is geen ORR-studie van KB-afgeleide gedopeerde koolstoffen gerapporteerd. Zinkchloride bevordert snelle dehydratatie en dehydroxylatie, wat de vorming van micro/mesoporien en een stikstof-zelf-gedopeerde, hoog-poreuze koolstofmatrix drijft. De resulterende katalysator vertoont uitzonderlijke elektrokatalytische activiteit, lange-termijn duurzaamheid en methanol-tolerantie, wat het positioneert als een levensvatbaar alternatief voor Pt-gebaseerde systemen in alkalische media.

Methoden

Witte nierenboon werd eerst gewassen gedemineraliseerd water en gedroogd bij 80 °C in een vacuümoven. Het werd vervolgens voorbehandeld onder stroomende stikstof bij 350 °C gedurende 2 uur (KB350 precursor), wat complete eiwitafbraak garandeert. Hoewel de snelste ontleding van KB plaatsvindt rond 300 °C (zie Fig. S1), werd 350 °C gekozen om de tyrosinedecompositietemperatuur (344 °C), de hoogste onder aminozuren in het eiwit, te overschrijden. De KB350 precursor werd mechanisch gemengd met zinkchloride (ZnCl₂) in een 1:1 massaverhouding via balmolen (500 toer/min). Het mengsel werd gepyrolyseerd in een buisoven bij 700, 800, 900 of 1000 °C gedurende 2 uur met een opwarmsnelheid van 10 °C min⁻¹, wat KB350Z-X opleverde (X = 700, 800, 900, 1000). Voor vergelijking werd KB-Z-900 bereid door rauwe KB met ZnCl₂ te mengen, en KB900 geproduceerd door directe pyrolyse van KB bij 900 °C. Alle monsters werden daarna geaugteerd in 0,5 mol L⁻¹ HCl gedurende 2 uur om Zn-restanten en metalen verontreinigingen te verwijderen voordat elektrochemische tests werden uitgevoerd.

Raman-spectra werden opgenomen met een Renishaw inVia spectrometer (λ = 514,5 nm). FE-SEM-afbeeldingen werden verkregen op een Hitachi UHR S4800. HR-TEM werd uitgevoerd op een FEI Tecnai F30 (300 kV). XPS-analyses werden uitgevoerd met een Kratos XSAM800. Stikstofadsorptie/desorptie werd gemeten op een Micromeritics ASAP 2010 bij 77 K.

Elektrochemische metingen werden uitgevoerd op een Zennium-E werkstation (Duitsland) met een conventionele drie-elektrode opstelling: glas-koolstof rotatieschijfelektrode (GC-RDE, Φ = 4 mm), verzadigde kalomelelektrode (SCE) en graafstiftstang (Φ = 0,5 cm). Werkelektroden werden bereid door 5,0 µL van een 10 mg mL⁻¹ dispersie op de GC-RDE te depositeren en te drogen. Massa-belading was ~400 µg cm⁻². Alle potentiëlen vs. SCE werden omgerekend naar RHE.

Resultaten en Discussie

Raman-spectra (Fig. 1a) onthullen dat KB350Z-900 de laagste ID/IG verhouding (0,85) onder de monsters bezit, wat een hogere grafitiseringsgraad aangeeft vergeleken met KB900 (0,94) en KB-Z-900 (0,88). De aanwezigheid van ZnCl₂ tijdens activatie versterkt de grafitisering verder, terwijl de 350 °C voorbehandeling de incorporatie van grafiet-stikstof bevordert, zoals weerspiegeld in de verlaagde ID/IG verhouding.

N2 adsorptie-desorptie isothermen (Fig. 1b) tonen een type H2 hystereselus, wat mesoporositeit bevestigt. KB-Z-900 en KB350Z-900 vertonen BET-oppervlaktes van 380 m² g⁻¹ en 1132 m² g⁻¹, respectievelijk, met een totale poriëvolume van 0,62 m³ g⁻¹ voor KB350Z-900. De substantiële meso- en macroporositeit (~664 m² g⁻¹) verbetert de blootstelling van actieve plaatsen en zuurstofdiffusie tijdens ORR. TEM-afbeeldingen (Fig. 1c,d) bevestigen de aanwezigheid van overvloedige micro/mesoporien en gedefecteerde randen geassocieerd met hoog stikstofgehalte, wat efficiënte ORR-actieve plaatsen biedt.

XPS bevestigt succesvolle stikstof-doping: oppervlakte-stikstofgehalten zijn 1,23 at.% (KB-900), 1,92 at.% (KB-Z-900) en 2,70 at.% (KB350Z-900). De N 1s spectra van KB350Z-900 tonen alleen pyridinisch-N (398,5 eV) en grafiet-N (401,1 eV) pieken, met grafiet-N voor 88,8 at.% van het totale stikstof – hoger dan in KB-Z-900 en KB-900. De afwezigheid van geoxideerde-N soorten duidt erop dat ZnCl₂-activatie en de twee-staps pyrolyse N-oxidatie onderdrukken.

CV-curven (Fig. 3a) in N2 vs. O2-verzadigd KOH onthullen dat KB350Z-900 de meest positieve piekpotentiaal (0,90 V) en hoogste piekstroomdichtheid bereikt, toeschrijfbaar aan het hoge grafiet-N gehalte. LSV-metingen (Fig. 3b) tonen aan dat de halfgolfpotentiaal en limietstroom van KB350Z-900 die van een commerciële 20 wt% Pt/C katalysator benaderen. Tafel-analyse levert een helling van 143 mV dec⁻¹ voor KB350Z-900 op, wat gunstige kinetiek aangeeft, hoewel iets hoger dan Pt/C. De ORR-activiteitsvolgorde – KB350Z-900 > KB350Z-800 > KB350Z-1000 > KB350Z-700 – benadrukt de optimale 900 °C pyrolysetemperatuur voor het balanceren van porositeit, stikstofgehalte en grafitisering.

Koutecky-Levich plots (Fig. 4c) bij varierende rotatiesnelheden bevestigen eerste-orde kinetiek en vier-electronenoverdrachtspaden, met gemiddelde elektronengetallen van 3,93 (KB-Z-900) en 3,98 (KB350Z-900). Versnelde verouderingstests (5000 CV-cycli, 0,2–1,2 V vs. RHE) demonstreren een bloot 2 mV verschuiving in de halfgolfpotentiaal van KB350Z-900 versus een 55 mV verschuiving voor Pt/C, wat superieure duurzaamheid benadrukt. Amperometrische i-t curven bij 0,9 V (inset Fig. 4d) bevestigen verwaarloosbare methanol-oxidatie op KB350Z-900, wat methanol-tolerantie bevestigt.

Conclusies

We hebben een schaalbare, twee-staps pyrolyseprotocol ontwikkeld dat eiwitrijke nierenboon-biomassa omzet in een hoog-porositeit, zwaar grafiet-stikstof-gedopeerd koolstof (KB350Z-900). Dit materiaal bezit een BET-oppervlakte van 1132 m² g⁻¹, een poriëvolume van 0,62 m³ g⁻¹ en een grafiet-N gehalte van 88,8 at.%. De ORR-prestaties rivaleren met die van commerciële 20 wt% Pt/C, terwijl het aanzienlijk betere duurzaamheid en methanol-tolerantie in alkalische media biedt. De synergie van ZnCl₂-activatie, zuur-augting en een voorlopige 350 °C voorbehandeling onderbouwt de uitzonderlijke katalytische activiteit. Deze resultaten banen de weg voor kosteneffectieve, biomassa-afgeleide ORR-katalysatoren in brandstofceltoepassingen.

Nanomaterialen

  1. Hoe Luchtvaartingenieurs Koolstofvezel Benutten voor Lichtere, Groener Vliegtuigen en Ruimtevaartuigen
  2. 5 Bewezen Strategieën voor Het Selecteren van de Beste Koolstofvezel Onderdelenfabrikant
  3. IBM Ingenieurs Ontwikkelen Nanoscopische Thermometer, In Staat Precise Temperatuurmapping van Quantum Apparaten
  4. Koolstofnanotubes Leveren Record Flexibiliteit en Snelheid in Elektronica
  5. Geopende oceaan opgeloste koolstof gevisualiseerd op atomaire schaal
  6. Geoptimaliseerde Al₂O₃/MgO-emissielagen voor ultra-hoge winst elektronenvermenigvuldigers
  7. Groene synthese van goud- en zilvernanodeeltjes met Platycodon-saponines uit Platycodi Radix
  8. Bisulfaat en sulfaat vergiftiging van PtCo nanokatalysatoren: Effecten op zuurstofreductie reactiekinetiek
  9. Fe-N-C nanovezel elektrokatalysatoren met superieure ORR prestaties via elektrospinnen en afgedichte pyrolyse
  10. Efficiënte synthese van CNT-Cu₂O nanocomposieten voor snelle p-nitrofenolreductie: Een goedkope, herbruikbare katalysator
  11. Optimaliseren van Bufferlagen via Atoomlaagdepositie voor Hoog-Presterende Verticaal Uitgelijnde Koolstofnanobuizen-Arrays