Nanoparticelle di carburo di molibdeno/Ni

Jan 11, 2024

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 22574 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, il carburo di molibdeno e il carbonio sono stati studiati come co-catalizzatori per migliorare l'elettroattività del nichel verso l'ossidazione dell'urea. L'elettrocatalizzatore proposto è stato formulato sotto forma di morfologia nanofibrosa per sfruttare il vantaggio dell'ampio rapporto assiale. Tipicamente, la calcinazione di nanofibre polimeriche elettropsun composte da poli(alcol vinilico), cloruro di molibdeno e acetato di nichel sotto vuoto ha portato alla produzione di nanofibre di carbonio incorporate con carburo di molibdeno/Ni NP di buona morfologia. L'indagine sulla composizione e la morfologia del catalizzatore proposto è stata condotta mediante XRD, SEM, XPS, mappatura elementare e analisi TEM che hanno concluso la formazione di carburo di molibdeno e nanoparticelle di nichel incorporate in una matrice di nanofibra di carbonio. Come elettrocatalizzatore per l'ossidazione dell'urea, le misurazioni elettrochimiche hanno indicato che il composito proposto ha un'attività distinta quando il contenuto di molibdeno è ottimizzato. Tipicamente, le nanofibre preparate da nanofibre elettrofilate contenenti il ​​25% in peso di precursore di molibdeno rispetto all'acetato di nichel hanno rivelato le migliori prestazioni. Numericamente, utilizzando 0,33 M di urea in 1,0 M KOH, le densità di corrente ottenute erano 15,5, 44,9, 52,6, 30,6, 87,9 e 17,6 mA/cm2 per nanofibre preparate a 850 °C da tappetini electropsun contenenti 0, 5, 10, 15, 25 e 35 cloruro di molibdeno, rispettivamente. Lo studio della temperatura di sintesi del composito proposto ha indicato che 1000 °C è la temperatura di calcinazione ottimale. Studi cinetici hanno indicato che la reazione di elettroossidazione dell'urea non segue la legge di Arrhenius.

Gli scienziati hanno scoperto che l'inquinamento da urea può far sì che le alghe oceaniche sviluppino un veleno mortale noto come acido domoico1. Paradossalmente, l'urea può essere manipolata come una molecola che trasporta idrogeno non tossica e non infiammabile con una densità energetica di 16,9 MJ L−1 (circa 10 volte superiore all'idrogeno). Inoltre, rispetto all’acqua, l’elettrolisi dell’urea consuma meno energia elettrica2. Teoricamente, l'estrazione dell'idrogeno dall'urea è un processo semplice poiché dipende da una reazione esotermica secondo le seguenti equazioni2,3,4,5,6:

Tuttavia, a causa degli elevati sovrapotenziali sugli elettrodi segnalati, non è noto alcun materiale anodico in grado di svolgere il compito senza aggiunta di potenza. Oltre alla bassa energia richiesta (circa 0,37 V) rispetto all'acqua (1,23 V), ci sono altri vantaggi per l'estrazione dell'idrogeno dall'elettrolisi dell'urea: (1) produzione di una miscela di gas non autoinfiammabile a causa dell'assenza di ossigeno, (2) convertire l'inquinamento da azoto nelle acque reflue in un prodotto sicuro per l'ambiente; N2 e (3) spingendo i ricercatori a sviluppare nuovi materiali per elettrodi con basse sovrapotenziali7.

Il nichel attira l'attenzione dei ricercatori come materiale anodico nella cella di elettrolisi dell'urea dalla degradazione biologica dell'urea ad opera dell'ureasi. Questo enzima è costituito da due Ni+2 attaccati a due molecole d'acqua e a un gruppo idrossido a ponte8,9. Numerosi studi hanno dimostrato che, in un mezzo alcalino, il nichel e i composti a base di nichel vengono ossidati allo stato attivo del nichel (NiOOH) e successivamente funzionano come catalizzatore della reazione di ossidazione dell'urea (UOR)10,11. Tuttavia, l'attività elettrocatalitica del nichel non modificato non soddisfa i requisiti minimi per essere un anodo applicabile, il che potrebbe tradursi in una scarsa formazione dei siti attivi richiesti. Il miglioramento dell'attività elettrocatalitica del nichel verso l'elettroossidazione dell'urea è stato condotto in due strategie principali; sviluppo della forma e invocando co-catalizzatori. Nel primo percorso, il metallo di transizione è stato formulato nel suo idrossido puro o metallico (Ni(OH)2). A questo proposito, sono state studiate diverse formulazioni nanostrutturali tra cui matrici di nanofili12, nanomesh13, nanoribbons14, nanoflakes15 e nanosheets16.