Электроокисление метанола на Ni

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4870 (2023) Цитировать эту статью

685 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

В данной работе подготовленные образцы наночастиц Ni1-xCrx с фиксированным содержанием платины (3%) были синтезированы и нанесены на углеродные нановолокна, полученные методом электроформования и карбонизированные при 900 °С в течение 7 ч в атмосфере аргона. Для изучения стехиометрии, структуры, морфологии поверхности и электрохимической активности применялись различные методы анализа. В процессе карбонизации образуются углеродные нановолокна, украшенные наночастицами металлов. Типичные диаметры волокон составляют 250–520 нм. Морфология волокон обработанных образцов не претерпевает каких-либо явных изменений. Проведено исследование электрокаталитических способностей метанола. Циклическая вольтамперометрия, хроноамперометрия и измерения электрохимического импеданса использовались для исследования каталитических характеристик и стабильности электродов в зависимости от концентрации электролита, скорости сканирования и времени реакции. Энергия активации реакции электроокисления увеличивается, а стабильность электрода увеличивается при добавлении Cr к Ni. В образце C3 максимальная плотность тока (JPE) составила 170,3 мА/см2 при 0,8 В с начальным потенциалом 0,352 В. С использованием наших электрокатализаторов электроокисление метанола включает в себя сочетание лимитирующих реакций кинетического и диффузионного контроля. Это исследование показало, как изготовить мощный катализатор электроокисления метанола на основе Ni-Pt-Cr, используя новый подход.

Текущие исследования в области устойчивой и возобновляемой энергетики концентрируются на совершенствовании топливных элементов с целью решения проблемы истощения ископаемых ресурсов. Топливные элементы привлекли большое внимание благодаря своим преимуществам, в том числе высокой эффективности и практически низкому уровню выбросов. С другой стороны, топливные элементы предлагают эффективный и здоровый метод преобразования энергии. Кроме того, для устойчивого развития и энергетической безопасности он хорошо сочетается с современными источниками энергии, такими как водород и возобновляемые источники энергии. В результате они рассматриваются как технологии преобразования энергии будущего. Статическая природа топливных элементов также делает их бесшумными и свободными от вибраций, а присущая им гибкость обеспечивает простую сборку и широкий спектр использования в портативных, стационарных и транспортных источниках энергии. По сути, топливные элементы предлагают самый чистый, гибкий и эффективный метод преобразования химической энергии в электрическую, с высокой плотностью мощности, простым масштабированием и низкими рабочими температурами1.

Однако из-за высокой стоимости и ограниченного предложения платиновых катализаторов растет интерес к разработке катализаторов на основе металлов со свободными платиновыми группами или с низким содержанием платиновой группы для использования в топливных элементах с протонообменной мембраной (PEMFC)2. Благодаря своим уникальным свойствам наночастицы драгоценных металлов (НЧ) и материалы из углерода часто используются в каталитической промышленности. Например, Pt используется в автомобилях для преобразования токсичных выхлопных газов, включая углеводороды, NOx и CO, в CO2, N2 и H2O3. Кроме того, Pt часто используется в качестве катализатора в топливных элементах. Говорят, что функционирование топливных элементов ограничено вялым восстановлением кислорода (ОР) и его медленной кинетикой на Pt. Чтобы улучшить активность и стабильность платиновых катализаторов в отрицательном электроде, несколько групп провели ряд исследований4,5. В качестве сокатализатора олово широко используется для улучшения активности электрохимического окисления Pt в направлении окисления метанола. Pt/Fe, Pt/Co, Pt/Ni и Pt/Cr – это лишь некоторые из различных катализаторов на основе платиновых сплавов, которые имеют были созданы из-за их низкого перенапряжения и высокой каталитической активности в PEMFC6,7,8,9. Pt-сплавы, содержащие различные переходные металлы, в том числе Ni, Cr, Co и др., продемонстрировали более высокую электрокаталитическую активность ORR в ПОМТЭ по сравнению с чистой Pt10,11. Такое развитие событий возможно и может быть объяснено несколькими причинами, включая снижение степени окисления Pt, создание новых электронных структур с более высокой энергией и ингибирование образования оксида Pt12,13. Многие усилия были сосредоточены на разработке катализаторов с низким содержанием и недрагоценных металлов для преодоления технических барьеров14,15. Материалы на основе никеля являются одними из наиболее перспективных кандидатов из-за их хорошей химической стабильности, электрических свойств и способности удалять промежуточный COad в щелочных средах [16,17]. Ni продемонстрировал обнадеживающую активность электрохимического окисления как метанола, так и мочевины среди исследованных переходных металлов18,19. Для увеличения активности Ni с целью повышения его каталитической активности и долговечности было использовано несколько методов, включая увеличение площади поверхности и интеграцию недрагоценных металлических элементов, комплексов и оксидов. Реакцию окисления метанола исследовали с использованием наночастиц Ni–Co20, нанотрубок Ni/TiO221, графита с покрытием Ni–Cd22, сплава Ni–Cu23 и нанооксидов Ni–Cr24. Эти материалы показали улучшенную электрокаталитическую активность и стабильность (MOR).