Sintesi assistita da microonde di nanograni di Mn3O4 intercalati in strati ridotti di ossido di grafene come materiale catodico per dispositivi alternativi di generazione di energia pulita

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 19043 (2022) Citare questo articolo

1573 accessi

2 citazioni

1 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

I nanograni di Mn3O4 incorporati nell'ossido di grafene ridotto come elettrocatalizzatore nanocomposito sono stati sintetizzati tramite una tecnica idrotermale assistita da microonde in un unico passaggio, facile e a vaso singolo. I nanocompositi sono stati impiegati come materiale catodico delle celle a combustibile per la reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR). Il prodotto sintetizzato è stato studiato a fondo utilizzando importanti caratterizzazioni, come XRD per l'analisi strutturale e analisi FESEM e TEM per valutare le strutture morfologiche del materiale. Gli spettri Raman sono stati impiegati per studiare le bande GO, rGO e la formazione del nanocomposito Mn3O4@rGO. L'analisi spettroscopica FTIR e UV-Vis è stata utilizzata per verificare l'effettiva sintesi dell'elettrocatalizzatore desiderato. Il nanocomposito Mn3O4@rGO-10% con il 10% in peso di ossido di grafene è stato utilizzato per alterare la superficie lucida dell'elettrodo di lavoro e applicato per l'ORR in una soluzione elettrolitica KOH da 0,5 M spurgata con O2. L'elettrocatalizzatore nanocomposito Mn3O4@rGO-10% ha mostrato prestazioni eccezionali con una corrente migliorata di − 0,738 mA/cm2 e valori di sovrapotenziale spostati di − 0,345 V rispetto ad altri elettrodi controllati, incluso il catalizzatore Pt/C convenzionalmente utilizzato generalmente utilizzato per l'attività ORR . La tolleranza del nanocomposito Mn3O4@rGO-10% è stata testata iniettando una concentrazione più elevata di metanolo, ovvero 0,5 M, ed è risultata non suscettibile mediante crossover del metanolo. È stato preso in considerazione anche il test di stabilità dell'elettrocatalizzatore sintetizzato dopo 3000 s, che ha dimostrato un'eccellente ritenzione di corrente del 98% rispetto all'elettrocatalizzatore Pt/C disponibile in commercio. Il materiale nanocomposito sintetizzato potrebbe essere considerato un elettrocatalizzatore efficace e privo di Pt per l'ORR pratico che soddisfa i requisiti di basso costo, facile fabbricazione e adeguata stabilità.

Le crescenti esigenze quotidiane, il rapido sviluppo dell’economia globale e la tecnologia hanno portato alla diminuzione delle riserve di combustibili fossili, provocando una crisi energetica e problemi di riscaldamento globale1. Sebbene le attuali richieste energetiche siano soddisfatte dalle riserve di combustibili fossili convenzionali, queste fonti energetiche devono essere riservate alle generazioni future2. Questa imminente crisi energetica ha spinto i ricercatori a cercare fonti energetiche alternative sostenibili, economicamente vantaggiose, rispettose dell’ambiente ed efficienti3. Pertanto, nella ricerca di fonti energetiche alternative, sono stati fatti enormi sforzi per trovare fonti di energia rinnovabile. Le batterie agli ioni di litio, i supercondensatori, le celle a combustibile e le celle solari come dispositivi di accumulo/conversione dell'energia elettrochimica hanno guadagnato notevole attenzione4,5,6,7,8. Le batterie ricaricabili metallo-aria (MAB) e le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) sono fonti di energia di prossima generazione per la produzione di elettricità pulita9,10. In questi dispositivi la riduzione dell'O2 avviene sulla superficie del catodo. Nei dispositivi di conversione dell'energia (celle a combustibile), la reazione di riduzione dell'O2 è un processo critico. La reazione di riduzione dell'ossigeno (ORR) avviene in due percorsi principali in una soluzione acquosa; (1) una transizione a quattro elettroni che riduce l'O2 a H2O (acqua) e (2) un meccanismo di trasferimento a due elettroni in cui l'O2 viene ridotto a H2O2 (perossido di idrogeno). Nel caso di solventi aprotici non acquosi o soluzioni alcaline, può verificarsi anche un fenomeno di riduzione di 1 elettrone riducendo O2 in superossido (O2−). Nel caso del funzionamento della cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM), le molecole di O2 vengono ridotte sulla superficie del catodo acquistando elettroni a causa dell'ORR. Il legame O=O con un'energia di legame eccezionalmente forte di 489 kJ/mol11 è un legame potente che è molto difficile da rompere elettrochimicamente. Per ridurre questa barriera energetica e l'attivazione e la scissione del legame, è altamente necessario l'ausilio di elettrocatalizzatori.

L'ORR è un processo sei volte più lento sulla superficie del catodo rispetto a quello dell'ossidazione dell'idrogeno in una soluzione acquosa nelle PEMFC. Questa lenta riduzione dell'O2 è dovuta ai vari percorsi di reazione e al processo di adsorbimento/desorbimento dovuto alla partecipazione di specie intermedie contenenti O come OOH*, O* e OH*12. Per questo motivo, il fabbisogno di catalizzatore catodico è spesso dieci volte superiore al fabbisogno di catalizzatore anodico per le applicazioni con celle a combustibile13. Su scala industriale, l’elettrocatalizzatore a base di Pt per l’ORR utilizzato convenzionalmente rappresenta il 36-56% del costo totale delle celle a combustibile14,15. Sebbene l’elettrocatalizzatore a base di Pt ad alto costo sia una preoccupazione significativa, un altro svantaggio dell’elettrocatalizzatore utilizzato convenzionalmente è la sua suscettibilità al crossover del carburante, a causa del quale la stabilità della cella a combustibile è compromessa, limitando quindi enormemente le massicce applicazioni delle celle a combustibile. Di conseguenza, la creazione di un elettrocatalizzatore altamente attivo, sufficientemente stabile ed economico è di fondamentale importanza per sostituire l’elettrodo catodico a base di Pt per applicazioni su larga scala.