Синтез нанозерен Mn3O4 с помощью микроволнового излучения, интеркалированных в восстановленные слои оксида графена, в качестве катодного материала для альтернативного энергетического устройства для производства экологически чистой энергии.

Том 12 научных докладов, номер статьи: 19043 (2022) Цитировать эту статью

1573 Доступа

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Нанозерна Mn3O4, включенные в восстановленный оксид графена в качестве нанокомпозитного электрокатализатора, были синтезированы одностадийным, простым и однореакторным гидротермальным методом с использованием микроволнового излучения. Нанокомпозиты были использованы в качестве катодного материала топливных элементов для реакции восстановления кислорода (ORR). Синтезированный продукт был тщательно изучен с использованием важных характеристик, таких как XRD для анализа структуры, а также анализы FESEM и TEM для оценки морфологической структуры материала. Спектры комбинационного рассеяния света были использованы для изучения полос GO, rGO и формирования нанокомпозита Mn3O4@rGO. Спектроскопический анализ FTIR и UV-Vis использовался для проверки эффективного синтеза желаемого электрокатализатора. Нанокомпозит Mn3O4@rGO-10% с 10 мас.% оксида графена использовали для изменения блестящей поверхности рабочего электрода и наносили для ОРР в очищенном от O2 0,5 М растворе электролита КОН. Нанокомпозитный электрокатализатор Mn3O4@rGO-10% продемонстрировал выдающиеся характеристики с улучшенным током - 0,738 мА/см2 и смещенными значениями перенапряжения - 0,345 В по сравнению с другими контролируемыми электродами, включая традиционно используемый катализатор Pt/C, обычно используемый для активности ORR. . Толерантность нанокомпозита Mn3O4@rGO-10% была проверена путем введения метанола в более высокой концентрации, т.е. 0,5 М, и была признана невосприимчивой кроссинговером с метанолом. Также был рассмотрен тест на стабильность синтезированного электрокатализатора через 3000 с, который продемонстрировал превосходное сохранение тока на уровне 98% по сравнению с коммерчески доступным электрокатализатором Pt/C. Синтезированный нанокомпозитный материал можно рассматривать как эффективный и не содержащий платины электрокатализатор для практического ORR, который отвечает требованиям низкой стоимости, простоты изготовления и достаточной стабильности.

Растущие с каждым днем ​​потребности, быстрое развитие мировой экономики и технологий привели к уменьшению запасов ископаемого топлива, что привело к энергетическому кризису и проблемам глобального потепления1. Хотя нынешние потребности в энергии удовлетворяются за счет традиционных запасов ископаемого топлива, эти источники энергии необходимо сохранить для будущих поколений2. Надвигающийся энергетический кризис заставил исследователей искать устойчивые, экономически эффективные, экологически чистые и эффективные альтернативные источники энергии3. Поэтому в поисках альтернативных источников энергии было приложено огромное количество усилий по поиску возобновляемых источников энергии. Литий-ионные батареи, суперконденсаторы, топливные элементы и солнечные элементы как электрохимические устройства хранения/преобразования энергии привлекли значительное внимание4,5,6,7,8. Перезаряжаемые металло-воздушные батареи (MAB) и топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC) являются источниками энергии следующего поколения для производства экологически чистой электроэнергии9,10. В этих устройствах восстановление O2 происходит на поверхности катода. В устройствах преобразования энергии (топливных элементах) реакция восстановления O2 является критическим процессом. Реакция восстановления кислорода (ORR) в водном растворе протекает по двум основным путям; (1) четырехэлектронный переход, который восстанавливает O2 до H2O (вода) и (2) механизм двухэлектронного переноса, при котором O2 восстанавливается до H2O2 (перекись водорода). В случае апротонных неводных растворителей или щелочных растворов явление одноэлектронного восстановления также может происходить за счет восстановления O2 до супероксида (O2-). В случае работы топливного элемента с протонообменной мембраной (ПЭМ) молекулы O2 восстанавливаются на поверхности катода за счет приобретения электронов за счет ORR. Связь O=O с исключительно сильной энергией связи 489 кДж/моль11 представляет собой мощную связь, которую очень трудно разорвать электрохимически. Чтобы уменьшить этот энергетический барьер, а также активацию и разрыв связи, крайне необходима помощь электрокатализаторов.

ОРР представляет собой в шесть раз более медленный процесс на поверхности катода, чем процесс окисления водорода в водном растворе в ПОМТЭ. Это медленное восстановление O2 возникает из-за различных путей реакции и процесса адсорбции/десорбции из-за участия O-содержащих промежуточных частиц, таких как OOH*, O* и OH*12. По этой причине потребность в катодном катализаторе часто в десять раз превышает потребность в анодном катализаторе для топливных элементов13. В промышленном масштабе традиционно используемые электрокатализаторы на основе платины для ORR составляют 36–56% общей стоимости топливных элементов14,15. Хотя дорогостоящий электрокатализатор на основе платины вызывает серьезную озабоченность, еще одним недостатком традиционно используемого электрокатализатора является его подверженность топливному переходу, из-за которого нарушается стабильность топливного элемента, что значительно ограничивает массовое применение топливных элементов. Следовательно, создание высокоактивного, достаточно стабильного и экономичного электрокатализатора имеет первостепенное значение для замены катодного электрода на основе платины для крупномасштабных применений.