PL248593B1 - Method for producing a cellulose-based electrocatalyst - Google Patents
Method for producing a cellulose-based electrocatalystInfo
- Publication number
- PL248593B1 PL248593B1 PL443653A PL44365323A PL248593B1 PL 248593 B1 PL248593 B1 PL 248593B1 PL 443653 A PL443653 A PL 443653A PL 44365323 A PL44365323 A PL 44365323A PL 248593 B1 PL248593 B1 PL 248593B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- cellulose
- char
- producing
- activated
- feso4
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J21/00—Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
- B01J21/18—Carbon
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/74—Iron group metals
- B01J23/745—Iron
Description
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elektrokatalizatora na bazie celulozy. Elektrokatalizator można stosować do elektrochemicznego uwalniania tlenu podczas reakcji elektrochemicznego rozszczepiania wody.The invention relates to a method for producing a cellulose-based electrocatalyst. The electrocatalyst can be used to electrochemically release oxygen during electrochemical water splitting reactions.
W literaturze znane są metody otrzymywania materiałów kompozytowych na bazie FeSO4 lub celulozy. Liang i in. (Nickel-Iron Nitride-Nickel Sulfide Composites for Oxygen Evolution Electrocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12.37: 41464-41470) materiału kompozytowego na bazie FeSO4 jako prekursora do otrzymywania elektrokatalizatora do elektrochemicznego wydzielania tlenu. Zespół otrzymał materiał FeNi3-Ni3S2, który charakteryzował się niskim nadpotencjałem rzędu 230 mV. Dodatkowo otrzymany kompozyt FeNi3-Ni3S2 charakteryzował się niskim nachyleniem Tafela rzędu 39 mV dec-1. Xu Tao i inni (Ni@Ni2P Encapsulation in Interconnected N-Doped Carbonized Cellulose Nanofibril Network for Efficient Oxygen Evolution Reaction, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(4), 2020, str. 1859-1867) otrzymali nanowłókna celulozowe (CNF, ang. Cellulose NanoFibrils) wyprodukowane z naturalnych włókien roślinnych o charakterystycznej trójwymiarowej sieci, które wykorzystywali jako szkielety strukturalne i podłoża przewodzące dla materiałów elektrokatalitycznych. W wyniku jednoetapowej pirolizy aerożelu złożonego z CNF i soli niklu otrzymali nanocząstki Ni@Ni2P zamknięte w domieszkowanych azotem, połączonych ze sobą zwęglonych CNF i nanorurkach węglowych. Te hybrydowe katalizatory wykazały wysoką aktywność katalityczną w reakcji uwalniania tlenu (OER, ang. Oxygen Evolution Reaction) z niską wartością nadpotencjału 269 mV w gęstości prądu 10 mA cm-2 i niskim nachyleniem Tafela 65.0 mV dec-1. Pomiary wykonano w 1 M roztworze KOH.Methods for obtaining composite materials based on FeSO4 or cellulose are known in the literature. Liang et al. (Nickel-Iron Nitride-Nickel Sulfide Composites for Oxygen Evolution Electrocatalysis. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12.37: 41464-41470) described a FeSO4-based composite material as a precursor for obtaining an electrocatalyst for electrochemical oxygen evolution. The team obtained a FeNi3-Ni3S2 material, which was characterized by a low overpotential of 230 mV. Additionally, the obtained FeNi3-Ni3S2 composite was characterized by a low Tafel slope of 39 mV dec -1 . Xu Tao et al. (Ni@Ni2P Encapsulation in Interconnected N-Doped Carbonized Cellulose Nanofibril Network for Efficient Oxygen Evolution Reaction, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8(4), 2020, pp. 1859-1867) obtained cellulose nanofibers (CNFs) produced from natural plant fibers with a characteristic three-dimensional network, which they used as structural frameworks and conductive substrates for electrocatalytic materials. As a result of single-step pyrolysis of an aerogel composed of CNF and nickel salt, they obtained Ni@Ni2P nanoparticles encapsulated in nitrogen-doped, interconnected carbonized CNFs and carbon nanotubes. These hybrid catalysts showed high catalytic activity in the oxygen evolution reaction (OER) with a low overpotential value of 269 mV at a current density of 10 mA cm -2 and a low Tafel slope of 65.0 mV dec -1 . The measurements were performed in 1 M KOH solution.
Problemem technicznym do rozwiązania jest uaktywnienie elektrokatalizatora w celu wypromowania jego własności katalitycznych oraz wykorzystanie metali szlachetnych jako komercyjnych elektrokatalizatorów.The technical problem to be solved is the activation of the electrocatalyst to promote its catalytic properties and the use of noble metals as commercial electrocatalysts.
Sposób wytwarzania elektrokatalizatora na bazie celulozy, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że mieszaninę roztworu aktywowanego karbonizatu celulozy i roztworu siedmiowodnego siarczanu (VI) żelaza (II) o stosunku wagowym aktywowanego karbonizatu celulozy do siedmiowodnego siarczanu (VI) żelaza (II) w zakresie od 1:1 do 5:1 poddaje się ciągłemu mieszaniu w temperaturze pokojowej w przedziale czasowym od 60 minut do 90 minut, po czym temperaturę mieszaniny zwiększa się w zakresie temperatur od 75°C do 85°C, aż do momentu całkowitego odparowania rozpuszczalnika. Stosuje się stosunek wagowy aktywowanego karbonizatu celulozy lub siedmiowodnego siarczanu (VI) żelaza (II) do rozpuszczalnika w zakresie od 1:10 do 1:20. Korzystnie stosuje się odpadowy siedmiowodny siarczan (VI) żelaza (II) lub odczynnikowy siedmiowodny siarczan (VI) żelaza (II) (cz.d.a.).The method for producing a cellulose-based electrocatalyst, according to the invention, is characterized in that a mixture of a solution of activated cellulose char and a solution of iron(II) sulfate heptahydrate with a weight ratio of activated cellulose char to iron(II) sulfate heptahydrate ranging from 1:1 to 5:1 is subjected to continuous stirring at room temperature for a time interval of 60 minutes to 90 minutes, after which the temperature of the mixture is increased in the temperature range of 75°C to 85°C until the solvent is completely evaporated. The weight ratio of activated cellulose char or iron(II) sulfate heptahydrate to the solvent is ranging from 1:10 to 1:20. Waste iron(II) sulfate heptahydrate or reagent iron(II) sulfate heptahydrate (p.a.) is preferably used.
Celulozę poddaje się karbonizacji w temperaturze 850°C przez 2 godziny w atmosferze azotu, po czym otrzymany karbonizat celulozy poddaje się aktywacji KOH w 800°C, przy czym stosuje się stosunek wagowych karbonizatu do KOH równy 1:4.The cellulose is carbonized at 850°C for 2 hours in a nitrogen atmosphere, after which the obtained cellulose char is activated with KOH at 800°C, using a weight ratio of char to KOH of 1:4.
Korzystnie jako rozpuszczalnik stosuje się wodę dejonizowaną lub etanol.Preferably, deionized water or ethanol is used as the solvent.
Stosuje się szybkość mieszania mieszaniny równą 300 obrotów/minutę.The mixture is stirred at a speed of 300 rpm.
Otrzymany materiał charakteryzuje się udoskonalonymi właściwościami katalizującymi elektrochemiczną reakcję uwalniania tlenu z wody, poprzez jej rozszczepienie. Dzięki obecności żelaza (Fe) i aktywowanego karbonizatu celulozy, cząstki są wydajniejsze w procesie uwalniania tlenu w porównaniu z komercyjnie stosowanym elektrokatalizatorem: RuO2. Dodatkową zaletą wynalazku jest możliwość zastosowania odpadowego FeSO4 jako zamiennika odczynnikowego FeSO4 oraz odpadowego materiału celulozowego. Zaletą zastosowania niniejszej procedury do otrzymywania materiałów elektrokatalizatycznych jest generowanie przez te materiały niskich wartości nadpotencjałów, które są kluczowe w poszukiwaniu wysoce wydajnego elektrokatalizatora. Dodatkową zaletą jest prosta metoda otrzymywania przedmiotu wynalazku bez zastosowania toksycznych rozpuszczalników.The resulting material is characterized by improved catalytic properties for the electrochemical reaction of oxygen release from water via water splitting. Due to the presence of iron (Fe) and activated cellulose char, the particles are more efficient in the oxygen release process compared to the commercially used electrocatalyst RuO2. An additional advantage of the invention is the possibility of using waste FeSO4 as a substitute for the FeSO4 reagent and waste cellulose material. The advantage of using this procedure to obtain electrocatalyst materials is that these materials generate low overpotentials, which are crucial in the search for a highly efficient electrocatalyst. An additional advantage is the simple method of obtaining the invention without the use of toxic solvents.
Sposób według wynalazku przedstawiono w przykładach i na rysunku, gdzie Figura 1 przedstawia uproszczony schemat procesu syntezy kompozytu Cel/FeSO4, Figura 2 przedstawia dyfraktogramy rentgenowskie FeSO4 odczynnikowego oraz odpadowego po oczyszczaniu, Figura 3 przedstawia wyniki elektrochemiczne w kontekście nadpotencjałów podczas liniowej woltamperometrii przemiatania (ang. linear sweep voltammetry, LSV): (a) kompozytów celulozy i FeSO4 w różnych proporcjach (Cel: FeSO4 od 1:1 do 7:1), (b) kompozytów celulozy i FeSO4 odczynnikowego i odpadowego w stosunku o najlepszym wyniku nadpotencjału (Cel:FeSO4 5:1).The method according to the invention is presented in the examples and in the drawing, where Figure 1 shows a simplified scheme of the Cel/FeSO4 composite synthesis process, Figure 2 shows X-ray diffraction patterns of reagent and waste FeSO4 after purification, Figure 3 shows electrochemical results in the context of overpotentials during linear sweep voltammetry (LSV): (a) cellulose and FeSO4 composites in various ratios (Cel: FeSO4 from 1:1 to 7:1), (b) cellulose and reagent and waste FeSO4 composites in the ratio with the best overpotential result (Cel:FeSO4 5:1).
Przykład 1Example 1
Zsyntetyzowano kompozyt (Cel: FeSO4), poprzez rozpuszczenie skarbonizowanej (850°C, 2h, atmosfera azotu) oraz aktywowanej (za pomocą KOH, 1:4, 800°C) celulozy w wodzie destylowanej w proporcjach wagowych 1:10 (aktywowany karbonizat celulozy: woda - mieszanina A) i równoległe rozpuszczenie siedmiowodnego siarczanu (VI) żelaza (II) odpadowego w wodzie destylowanej w proporcjach wagowych 1:10 (FeSO4 7H2O: woda - mieszanina B). Następnie zmieszano mieszaniny A+B w proporcjach wagowych 1:1 (aktywowany karbonizat celulozy: FeSO4 7H2O). Reakcję prowadzono w trybie ciągłego mieszania (300 obr./min) na mieszadle magnetycznym z funkcją grzania, najpierw przez 60 min w temperaturze pokojowej, a następnie przez kolejne 12 godzin w 80°C, do momentu całkowitego odparowania rozpuszczalnika.A composite (Target: FeSO4) was synthesized by dissolving carbonized (850°C, 2 h, nitrogen atmosphere) and activated (with KOH, 1:4, 800°C) cellulose in distilled water in a weight proportion of 1:10 (activated cellulose char: water - mixture A) and simultaneously dissolving waste iron(II) sulfate(VI) heptahydrate in distilled water in a weight proportion of 1:10 (FeSO4 7H2O: water - mixture B). Then, mixtures A+B were mixed in a weight proportion of 1:1 (activated cellulose char: FeSO4 7H2O). The reaction was carried out under continuous stirring (300 rpm) on a magnetic stirrer with heating function, first for 60 min at room temperature and then for another 12 hours at 80°C until the solvent was completely evaporated.
Przykład 2Example 2
Zsyntetyzowano kompozyt (Cel: FeSO4), poprzez rozpuszczenie skarbonizowanej (850°C, 2h, atmosfera azotu) oraz aktywowanej (za pomocą KOH, 1:4, 800°C) celulozy w wodzie destylowanej w proporcjach wagowych 1:20 (aktywowany karbonizat celulozy: woda - mieszanina A) i równoległe rozpuszczenie siedmiowodnego siarczanu (VI) żelaza (II) odczynnikowego (Sigma-Aldrich) w wodzie destylowanej w proporcjach wagowych 1:15 (FeSO4 7H2O: woda - mieszanina B). Następnie zmieszano mieszaniny A+B w proporcjach wagowych 2:1 (aktywowany karbonizat celulozy : FeSO4 7H2O). Reakcję prowadzono w trybie ciągłego mieszania (250 obr./min) na mieszadle magnetycznym z funkcją grzania, najpierw przez 90 min w temperaturze pokojowej, a następnie przez kolejne 12 godzin w 75°C.A composite (Cel: FeSO4) was synthesized by dissolving carbonized (850°C, 2 h, nitrogen atmosphere) and activated (with KOH, 1:4, 800°C) cellulose in distilled water in a weight proportion of 1:20 (activated cellulose char: water - mixture A) and simultaneously dissolving iron(II) sulfate(VI) heptahydrate reagent grade (Sigma-Aldrich) in distilled water in a weight proportion of 1:15 (FeSO4 7H2O: water - mixture B). Then, mixtures A+B were mixed in a weight proportion of 2:1 (activated cellulose char: FeSO4 7H2O). The reaction was carried out in continuous stirring mode (250 rpm) on a magnetic stirrer with heating function, first for 90 min at room temperature and then for another 12 hours at 75°C.
Przykład 3Example 3
Zsyntetyzowano kompozyt (Cel:FeSO4), poprzez rozpuszczenie skarbonizowanej (850°C, 2h, atmosfera azotu) oraz aktywowanej (za pomocą KOH, 1:4, 800°C) celulozy w etanolu w proporcjach wagowych 1:15 (aktywowany karbonizat celulozy : etanol - mieszanina A) i równoległe rozpuszczenie siedmiowodnego siarczanu (VI) żelaza (II) odpadowego w wodzie destylowanej w proporcjach wagowych 1:20 (FeSO4 7H2O: woda - mieszanina B). Następnie zmieszano mieszaniny A+B w proporcjach wagowych 5:1 (aktywowany karbonizat celulozy : FeSO4 7H2O). Reakcję prowadzono w trybie ciągłego mieszania (350 obr./min) na mieszadle magnetycznym z funkcją grzania, najpierw przez 90 minut w temperaturze pokojowej, a następnie przez kolejne 11 godzin w 85°C.A composite (Cel:FeSO4) was synthesized by dissolving carbonized (850°C, 2 h, nitrogen atmosphere) and activated (with KOH, 1:4, 800°C) cellulose in ethanol in a weight proportion of 1:15 (activated cellulose char: ethanol - mixture A) and simultaneously dissolving iron(II) sulfate (VI) heptahydrate in distilled water in a weight proportion of 1:20 (FeSO4 7H2O: water - mixture B). Next, mixtures A+B were mixed in a weight proportion of 5:1 (activated cellulose char: FeSO4 7H2O). The reaction was carried out under continuous stirring (350 rpm) on a magnetic stirrer with a heating function, first for 90 minutes at room temperature and then for the next 11 hours at 85°C.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL443653A PL248593B1 (en) | 2023-02-01 | Method for producing a cellulose-based electrocatalyst |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL443653A PL248593B1 (en) | 2023-02-01 | Method for producing a cellulose-based electrocatalyst |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL443653A1 PL443653A1 (en) | 2024-08-05 |
| PL248593B1 true PL248593B1 (en) | 2025-12-29 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Du et al. | A self-templating method for metal–organic frameworks to construct multi-shelled bimetallic phosphide hollow microspheres as highly efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction | |
| Gao et al. | Core–shell heterostructure engineering of CoP nanowires coupled NiFe LDH nanosheets for highly efficient water/seawater oxidation | |
| Kuang et al. | Enhanced N-doping in mesoporous carbon for efficient electrocatalytic CO2 conversion | |
| Cheng et al. | FeOOH decorated CoP porous nanofiber for enhanced oxygen evolution activity | |
| Xue et al. | Construction of Co2P nanoparticles anchored on hollow N-doped porous carbon nanoleaf for high-efficiency water splitting | |
| Cao et al. | Improved hydrogen generation via a urea-assisted method over 3D hierarchical NiMo-based composite microrod arrays | |
| Li et al. | Engineering the coupling interface of rhombic dodecahedral NiCoP/C@ FeOOH nanocages toward enhanced water oxidation | |
| Chen et al. | PEO-PPO-PEO induced holey NiFe-LDH nanosheets on Ni foam for efficient overall water-splitting and urea electrolysis | |
| Zou et al. | Local electronic structure modulation of NiVP@ NiFeV-LDH electrode for high-efficiency oxygen evolution reaction | |
| Liu et al. | Metal–Organic-Framework-Derived Cobalt nanoparticles encapsulated in Nitrogen-Doped carbon nanotubes on Ni foam integrated Electrode: Highly electroactive and durable catalysts for overall water splitting | |
| CN113275027A (en) | Preparation and application of bimetallic phosphide derived from prussian blue analogue as template and growing on foamed nickel | |
| CN108325539A (en) | A kind of Ni of the rodlike vanadium modification for being self-assembled into flower ball-shaped3S2The synthetic method of elctro-catalyst | |
| Peng et al. | A dynamic structure evolution and reaction pathway over Ni2P for enhancement toward furfural oxidation | |
| Xin et al. | High-entropy engineering in hollow layered hydroxide arrays to boost 5-hydroxymethylfurfural electrooxidation by suppressing oxygen evolution | |
| Nie et al. | Synergistic coupling of heterostructured porous CoP nanosheets with P doped NiO for highly efficient overall alkaline water splitting | |
| Liu et al. | NiCoP nanoparticles embedded in coal-based carbon nanofibers as self-supporting bifunctional electrocatalyst toward water splitting | |
| Bo et al. | CoP/Co2P hollow spheres embedded in porous N-doped carbon as highly efficient multifunctional electrocatalyst for Zn–air battery driving water splitting device | |
| Zong et al. | Electrospun nanofibers for electrochemical reduction of CO2: A mini review | |
| Yang et al. | V2O3/FeOOH with rich heterogeneous interfaces on Ni foam for efficient oxygen evolution reaction | |
| Nguyen et al. | Snowflake Co3O4-CuO heteroanode arrays supported on three-dimensional framework for enhanced oxygen evolution | |
| Liu et al. | Facile preparation of amorphous NiFe hydroxide by corrosion engineering for electrocatalytic water and urea oxidation | |
| CN113104833B (en) | A kind of biochar-based rigid foam carbon, its preparation method and application in electrocatalysis | |
| Yuan et al. | Construction of bifunctional MOF-based composite electrocatalysts promoting oxygen evolution reaction and glucose oxidation reaction and its kinetic deciphering | |
| Wang et al. | Sulfonated polybenzimidazole engineering defect-induced N, S-codoped carbon-supported Co3C hybrid composite as high-efficiency electrocatalyst for oxygen evolution reaction | |
| Liu et al. | One-step growth of Ni3Fe-Fe3C heterostructures well encapsulated in NCNTs as superior self-supported bifunctional electrocatalysts for overall water splitting |