Elettroossidazione del metanolo su Ni

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 4870 (2023) Citare questo articolo

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In questo lavoro, campioni preparati di nanoparticelle di Ni1-xCrx con un rapporto fisso di platino (3%) sono stati sintetizzati e caricati su nanofibre di carbonio, che sono state prodotte mediante una tecnica di elettrofilatura e carbonizzate a 900 °C per 7 ore in un'atmosfera di argon. Sono state applicate diverse tecniche di analisi per esaminare la stechiometria, la struttura, la morfologia superficiale e l'attività elettrochimica. Il processo di carbonizzazione produce nanofibre di carbonio decorate con nanoparticelle metalliche. I diametri tipici delle fibre sono 250–520 nm. Le morfologie delle fibre dei campioni trattati non presentano alterazioni evidenti. È stato condotto uno studio sulle capacità elettrocatalitiche del metanolo dei campioni. Le misurazioni della voltammetria ciclica, della cronoamperometria e dell'impedenza elettrochimica sono state utilizzate per studiare le prestazioni catalitiche e la stabilità degli elettrodi in funzione della concentrazione dell'elettrolita, della velocità di scansione e del tempo di reazione. L'energia di attivazione della reazione di elettroossidazione aumenta e la stabilità dell'elettrodo aumenta quando si aggiunge Cr a Ni. Nel campione C3, la densità di corrente massima (JPE) era di 170,3 mA/cm2 a 0,8 V con un potenziale di inizio di 0,352 V. Utilizzando i nostri elettrocatalizzatori, l'elettroossidazione del metanolo comporta un mix di reazioni limitanti del controllo cinetico e della diffusione. Questo studio ha mostrato come fabbricare un potente catalizzatore di elettroossidazione del metanolo a base di Ni-Pt-Cr utilizzando un nuovo approccio.

La ricerca attuale nel campo dell'energia sostenibile e rinnovabile si sta concentrando sul potenziamento delle celle a combustibile per affrontare il problema dell'esaurimento delle risorse fossili. Le celle a combustibile hanno attirato molta attenzione grazie ai loro vantaggi, tra cui l’elevata efficienza e le emissioni quasi basse. D’altro canto, le celle a combustibile offrono un metodo efficace e salutare per convertire l’energia. Inoltre, per lo sviluppo sostenibile e la sicurezza energetica, funziona bene con le moderne fonti energetiche come l’idrogeno e le fonti energetiche rinnovabili. Di conseguenza, sono viste come le tecnologie di conversione energetica del futuro. La natura statica delle celle a combustibile le rende inoltre silenziose e prive di vibrazioni, e la loro flessibilità intrinseca consente un assemblaggio semplice e un'ampia gamma di usi nella produzione di energia portatile, fissa e nei trasporti. In sostanza, le celle a combustibile offrono il metodo più pulito, flessibile ed efficace per convertire l'energia chimica in energia elettrica, con elevata densità di potenza, scalabilità semplice e basse temperature di esercizio1.

Tuttavia, a causa del costo elevato e della fornitura limitata di catalizzatori al Pt, vi è un crescente interesse nello sviluppo di catalizzatori metallici liberi o a basso contenuto di platino da utilizzare nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC)2. A causa delle loro qualità uniche, le preziose nanoparticelle metalliche (NP) e i materiali costituiti da carbonio vengono spesso utilizzati nelle industrie catalitiche. Ad esempio, il Pt viene utilizzato nelle automobili per trasformare i gas di scarico tossici, inclusi idrocarburi, NOx e CO, in CO2, N2 e H2O3. Inoltre, il Pt viene spesso utilizzato come catalizzatore nelle celle a combustibile. Si dice che il funzionamento delle celle a combustibile sia limitato dalla lenta riduzione dell'ossigeno (OR) e dalla sua lenta cinetica su Pt. Per migliorare l'attività e la stabilità dei catalizzatori di Pt nell'elettrodo negativo, diversi team hanno condotto numerosi studi4,5. Come co-catalizzatore, lo stagno è ampiamente utilizzato per migliorare l'attività di ossidazione elettrochimica del Pt verso l'ossidazione del metanolo. Pt/Fe, Pt/Co, Pt/Ni e Pt/Cr sono alcuni dei diversi catalizzatori a base di leghe di Pt che hanno sono stati creati a causa del loro basso sovrapotenziale e dell'elevata attività catalitica, nelle PEMFC6,7,8,9. Le leghe di Pt comprendenti vari metalli di transizione, tra cui Ni, Cr, Co e altri, hanno dimostrato un'attività elettrocatalitica ORR più elevata nelle PEMFC rispetto al Pt10,11 puro. Questo sviluppo è possibile e può essere attribuito a diversi fattori, tra cui un declino dello stato di ossidazione del Pt, la creazione di nuove strutture elettroniche con energia più elevata e l'inibizione della produzione di ossido di Pt12,13. Molti sforzi si sono concentrati sullo sviluppo di catalizzatori metallici a basso e non prezioso per superare le barriere tecniche14,15. I materiali a base di nichel sono tra i candidati più promettenti per la loro buona stabilità chimica, proprietà elettriche e capacità di rimuovere il COad intermedio nei mezzi alcalini [16,17]. Il Ni ha dimostrato un'attività di ossidazione elettrochimica incoraggiante sia per il metanolo che per l'urea tra i metalli di transizione esaminati18,19. Sono stati utilizzati diversi metodi per aumentare l'attività del Ni al fine di aumentarne l'attività catalitica e la durabilità, compreso l'aumento della sua area superficiale e l'integrazione di elementi metallici non preziosi, complessi e ossidi. La reazione di ossidazione del metanolo è stata esaminata utilizzando nanoparticelle Ni-Co20, nanotubi Ni/TiO221, grafite rivestita Ni-Cd22, lega Ni-Cu23 e nanoossidi Ni-Cr24. Questi materiali hanno mostrato una migliore attività e stabilità elettrocatalitica (MOR).