RU2781376C1 - Application of a hybrid material based on a metal-free electrocatalyst for generating hydrogen from water - Google Patents
Application of a hybrid material based on a metal-free electrocatalyst for generating hydrogen from water Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781376C1 RU2781376C1 RU2021138325A RU2021138325A RU2781376C1 RU 2781376 C1 RU2781376 C1 RU 2781376C1 RU 2021138325 A RU2021138325 A RU 2021138325A RU 2021138325 A RU2021138325 A RU 2021138325A RU 2781376 C1 RU2781376 C1 RU 2781376C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bipyridine
- water
- adsorption
- carbon
- compounds
- Prior art date
Links
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 title claims abstract description 14
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 10
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- ROFVEXUMMXZLPA-UHFFFAOYSA-N 2,2'-bipyridyl Chemical compound N1=CC=CC=C1C1=CC=CC=N1 ROFVEXUMMXZLPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- MWVTWFVJZLCBMC-UHFFFAOYSA-N 4,4'-Bipyridine Chemical compound C1=NC=CC(C=2C=CN=CC=2)=C1 MWVTWFVJZLCBMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- DGEZNRSVGBDHLK-UHFFFAOYSA-N [1,10]phenanthroline Chemical compound C1=CN=C2C3=NC=CC=C3C=CC2=C1 DGEZNRSVGBDHLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 150000004395 organic heterocyclic compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 17
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 8
- -1 heteropolycyclic organic compounds Chemical class 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 150000002391 heterocyclic compounds Chemical class 0.000 abstract description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 25
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 9
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 5
- 230000003197 catalytic Effects 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 239000002594 sorbent Substances 0.000 description 4
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 3
- 230000002349 favourable Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 2
- 239000002156 adsorbate Substances 0.000 description 2
- 235000020127 ayran Nutrition 0.000 description 2
- 230000024881 catalytic activity Effects 0.000 description 2
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N methylene dichloride Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- XTHPWXDJESJLNJ-UHFFFAOYSA-N sulfurochloridic acid Chemical compound OS(Cl)(=O)=O XTHPWXDJESJLNJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IMVRUPICRVHSAZ-UHFFFAOYSA-N 10-methyl-9-phenyl-9H-acridine Chemical compound C12=CC=CC=C2N(C)C2=CC=CC=C2C1C1=CC=CC=C1 IMVRUPICRVHSAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MTRFEWTWIPAXLG-UHFFFAOYSA-N 9-phenylacridine Chemical compound C1=CC=CC=C1C1=C(C=CC=C2)C2=NC2=CC=CC=C12 MTRFEWTWIPAXLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DZBUGLKDJFMEHC-UHFFFAOYSA-N Acridine Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3N=C21 DZBUGLKDJFMEHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M Silver chloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003077 quantum chemistry computational method Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon(0) Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электрохимии и электрокатализа, в частности к материалам, использующимся в качестве электрокатализаторов для получения молекулярного водорода в присутствии гетерополициклических органических соединений.The invention relates to the field of electrochemistry and electrocatalysis, in particular to materials used as electrocatalysts for the production of molecular hydrogen in the presence of heteropolycyclic organic compounds.
В связи со стремительным переходом прямых методов получения водорода путем электролиза, требующих использование катализаторов на основе дорогостоящих платины и иных металлов платиновой группы, вопрос их замены на более доступные, но не уступающие в эффективности системы, бесспорно актуален.In connection with the rapid transition of direct methods of hydrogen production by electrolysis, which require the use of catalysts based on expensive platinum and other platinum group metals, the issue of replacing them with more affordable, but not inferior in efficiency systems is undoubtedly relevant.
В ходе продолжительных исследований были предложены электрокаталитические системы на основе комплексов переходных металлов, обладающих достаточной каталитической активностью, однако они не удовлетворяют основным предъявляемым к ним требованиям, а именно высокая химическая и термодинамическая устойчивость, отсутствие необходимости в создании специальных условий протекания процесса, а так же коммерческая конкурентоспособность относительно существующих ныне катализаторов. К тому же, приоритетной задачей является частичный или полный переход от металлических катализаторов к синтетическим аналогам, что позволит при той же эффективности существенно снизить стоимость каталитической системы.In the course of long-term studies, electrocatalytic systems based on transition metal complexes with sufficient catalytic activity were proposed, but they do not meet the main requirements for them, namely, high chemical and thermodynamic stability, no need to create special conditions for the process, as well as commercial competitiveness relative to currently existing catalysts. In addition, a priority task is a partial or complete transition from metal catalysts to synthetic analogues, which will allow, with the same efficiency, to significantly reduce the cost of the catalytic system.
Активные разработки в этой области поспособствовали выявлению основных подходов к получению электрокатализаторов на основе органических соединений. Суть состоит в постадийном синтезе молекул, которые затем иммобилизуются на поверхности углеродного носителя - катода.Active developments in this area contributed to the identification of the main approaches to the production of electrocatalysts based on organic compounds. The bottom line is the step-by-step synthesis of molecules, which are then immobilized on the surface of a carbon carrier - the cathode.
Известен катализатор для получения молекулярного водорода. В решении описано применение органического стабильного электронно-избыточного радикала в качестве катализатора для получения молекулярного водорода (RU 2480283, МПК B01J 31/00, C01B 3/16, C25B 1/44, опубл. 27.04.2013).Known catalyst for producing molecular hydrogen. The solution describes the use of an organic stable electron-excess radical as a catalyst for the production of molecular hydrogen (RU 2480283, IPC B01J 31/00,
Недостатком известного решения является низкая каталитическая активность и невозможность к иммобилизации на рабочем электроде.The disadvantage of the known solutions is the low catalytic activity and the impossibility of immobilization on the working electrode.
Из уровня техники известно применение материала на основе безметального электрокатализатора для получения молекулярного водорода из воды в присутствии органических солей. Изобретение относится к применению материала на основе безметального электрокатализатора, представляющего собой акридин, 9-фенил-акридин или N-метил-9-фенилакридин, адсорбированный на углеродном материале, для получения молекулярного водорода из воды в присутствии органических солей (RU 2706117, МПК B01J 31/02, C25B 1/04, опубл. 14.11.2019).It is known from the prior art to use a material based on a metalless electrocatalyst to produce molecular hydrogen from water in the presence of organic salts. The invention relates to the use of a material based on metal-free electrocatalyst, which is acridine, 9-phenyl-acridine or N-methyl-9-phenylacridine, adsorbed on carbon material, to obtain molecular hydrogen from water in the presence of organic salts (RU 2706117, IPC B01J 31 /02, C25B 1/04, published 11/14/2019).
Используемый материал является синтетически доступным и термодинамически устойчивым. Недостатком известного решения является невысокое время работы в непрерывном режиме. Происходит его деактивация.The material used is synthetically available and thermodynamically stable. The disadvantage of the known solution is the low time of continuous operation. It is being deactivated.
Технический результат, при использовании заявленного изобретения, заключается в применении электрокатализатора на основе гетероциклических соединений способных к физической адсорбции на углеродной поверхности по механизму π-π-стейкинга, что обеспечивает высокие скорости процесса и рекордную устойчивость в процессе электрохимического получения молекулярного водорода из воды.The technical result, when using the claimed invention, is the use of an electrocatalyst based on heterocyclic compounds capable of physical adsorption on the carbon surface by the π-π-staking mechanism, which ensures high process speeds and record stability in the process of electrochemical production of molecular hydrogen from water.
Сущность изобретения заключается в том, что предлагается применение гибридного материала на основе безметального электрокатализатора, представляющего собой органические гетероциклические соединения 4,4’-бипиридин, 2,2’-бипиридин и 1,10-фенантролин, иммобилизованные на поверхности углерод-содержащего катода, для генерирования молекулярного водорода из воды.The essence of the invention lies in the fact that it is proposed to use a hybrid material based on a metal-free electrocatalyst, which is organic heterocyclic compounds 4,4'-bipyridine, 2,2'-bipyridine and 1,10-phenanthroline, immobilized on the surface of a carbon-containing cathode, for generating molecular hydrogen from water.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:
на Фиг. 1 представлены структурные формулы 2,2’-бипиридина (I), 4,4’-бипиридина (II) и 1,10-фенантролина (III);in FIG. 1 shows the structural formulas of 2,2'-bipyridine (I), 4,4'-bipyridine (II) and 1,10-phenanthroline (III);
на Фиг. 2 показана сорбция соединений I (а), II (b) и III (с) на углеродном носителе VulcanXC-72 в ацетонитриле;in FIG. 2 shows the sorption of compounds I (a), II (b) and III (c) on the VulcanXC-72 carbon support in acetonitrile;
на Фиг. 3 изображены равновесные состояния, полученные с помощью метода DFT на базисе B3LIP/6-31+G(2d,p) для адсорбции соединений I-а, II-b и III-с на поверхности углеродного носителя;in FIG. 3 shows the equilibrium states obtained using the DFT method on the B3LIP/6-31+G(2d,p) basis for the adsorption of compounds I-a, II-b and III-c on the surface of a carbon support;
на Фиг. 4 показаны изотермы адсорбции соединений соединений I-а, II-b и III-с углеродсодержащим сорбентом в ацентонитриле в координатах линейной формы уравнения Ленгмюра;in FIG. 4 shows adsorption isotherms of compounds of compounds I-a, II-b and III- with a carbon-containing sorbent in acentonitrile in the coordinates of the linear form of the Langmuir equation;
на Фиг. 5 представлены циклические вольтамперограммы для соединений I, II и III, иммобилизованных на углеродном носителе VulcanXC-72. Условия съемки: ацетонитрил, v = 100 mV/s, Ag/AgCl/KCl;in FIG. Figure 5 shows cyclic voltammograms for compounds I, II, and III immobilized on a VulcanXC-72 carbon support. Recording conditions: acetonitrile, v = 100 mV/s, Ag/AgCl/KCl;
на Фиг. 6 отражены поляризационные кривые, полученные для соединений 1, 2 и 3, иммобилизованных на углеродном носителе VulcanXC-72 в присутствии хлорсульфоновой кислоты (0,1 моль/л). Условия съемки: хлористый метилен, v = 5 мВ/с;in FIG. Figure 6 shows the polarization curves obtained for
на Фиг. 7 показаны результаты препаративного электролиза на основе соединений I, II и III на катоде, а также на основе аналогичного углеродного материала, активированного металлической платиной, используемого в качестве контрольного образца (4).in FIG. 7 shows the results of preparative electrolysis based on compounds I, II and III at the cathode, and also based on a similar carbon material activated with platinum metal, used as a control sample (4).
Осуществление изобретенияImplementation of the invention
Изготовление и применение безметального электрокатализатора на основе органических гетероциклических соединений, иммобилизованных на поверхность углеродного носителя, осуществляют следующим образом. Измельченный сорбент, предварительно промытый дистиллированной водой, отфильтрованный и высушенный при температуре 440-450°C, поочередно смешивают с ацетонитрильными растворами 2,2’-бипиридина, 4,4’-бипиридина и 1,10’-фенантролина (10-3 моль/л). Сорбцию проводят статическим методом, который реализовывают в перемешивающем устройстве. Растворы непрерывно перемешивают при комнатной температуре в течение 30 минут.The manufacture and use of a metal-free electrocatalyst based on organic heterocyclic compounds immobilized on the surface of a carbon carrier is carried out as follows. The crushed sorbent, previously washed with distilled water, filtered and dried at a temperature of 440-450°C, is alternately mixed with acetonitrile solutions of 2,2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine and 1,10'-phenanthroline (10 -3 mol/ l). Sorption is carried out by a static method, which is implemented in a mixing device. The solutions are continuously stirred at room temperature for 30 minutes.
Исследования люминесцентных свойств гетероциклических полиароматических соединений проводили с помощью метода флуоресцентной оптической спектрометрии. Спектры люминесценции снимали на спектрофлуориметре RF-5301PC фирмы «Shimadzu». Источник излучения в лампе - ксеноновая лампа мощностью 150 Вт с деозонатором. Оптический диапазон: возбуждение 220-900 нм, эмиссия 220-900 нм. Спектрофлуориметр RF-5301PC предназначены для количественного химического анализа органических и неорганических веществ.Studies of the luminescent properties of heterocyclic polyaromatic compounds were carried out using the method of fluorescent optical spectrometry. Luminescence spectra were recorded on a Shimadzu RF-5301PC spectrofluorimeter. The radiation source in the lamp is a 150 W xenon lamp with a deozone generator. Optical range: excitation 220-900 nm, emission 220-900 nm. Spectrofluorimeter RF-5301PC is designed for quantitative chemical analysis of organic and inorganic substances.
Были использованы следующие материалы:The following materials were used:
1. Углеродный носитель VulcanXC-72 производства «CabotCorporation-Additives».1. Carbon carrier VulcanXC-72 manufactured by CabotCorporation-Additives.
2. 2,2’-бипиридин (х.ч). Молекулярная формула: C10H8N2. Молекулярный вес: 156,188.2. 2,2'-bipyridine (chemically pure). Molecular formula: C 10 H 8 N 2 . Molecular weight: 156.188.
3. 4,4’-бипиридин (х.ч) Молекулярная формула: C10H8N2. Молекулярный вес: 156,188.3. 4,4'-bipyridine (chemically pure) Molecular formula: C 10 H 8 N 2 . Molecular weight: 156.188.
4. 1,10-фенантролин (х.ч) Молекулярная формула: C12H8N2. Молекулярный вес: 180,21.4. 1,10-phenanthroline (chemically pure) Molecular formula: C 12 H 8 N 2 . Molecular weight: 180.21.
В заявленном изобретении показаны результаты исследований сорбции 2,2’-бипиридина, 4,4’-бипиридина и 1,10-фенантролина (Фиг. 1), использованных в качестве адсорбатов, на углеродном носителе, а также электрохимические свойства полученных электрокаталитических систем.The claimed invention shows the results of studies of the sorption of 2,2'-bipyridine, 4,4'-bipyridine and 1,10-phenanthroline (Fig. 1), used as adsorbates, on a carbon carrier, as well as the electrochemical properties of the obtained electrocatalytic systems.
Целью исследования являлось выявление оптимальных условий процесса сорбции, а также выявление ее конкретного механизма, что в дальнейшем позволит более детально регулировать процесс создания безметальных электрокатализаторов на основе других, более сложных систем.The aim of the study was to identify the optimal conditions for the sorption process, as well as to identify its specific mechanism, which in the future will allow more detailed regulation of the process of creating metalless electrocatalysts based on other, more complex systems.
Время установления равновесных условий сорбции является наименьшим для соединения I, затем для соединения III, а для соединения II установление равновесия самое медленное. Соединение III имеет плоскую структуру, которая должна прекрасно подходить для адсорбции на поверхности углеродных носителей за счет π-π - стейкинга, с чем и связанна его довольно большая скорость при сорбции. Такая геометрия молекулы в большей мере будет способствовать иммобилизации на поверхности носителя. Для подтверждения полученных результатов были проведены квантово-химические расчеты процесса адсорбции соединений I, II, III на модели углеродного носителя при помощи метода DFT на базисе B3LIP/6-31+G(2d,p). Для проведения расчетов использовалась модель графеновой поверхности, состоящая из 28 сопряженных между собой циклов (Фиг. 3).The time for establishing equilibrium sorption conditions is the shortest for compound I, then for compound III, and for compound II, the establishment of equilibrium is the slowest. Compound III has a flat structure, which should be perfectly suitable for adsorption on the surface of carbon carriers due to π-π - staking, which is responsible for its rather high sorption rate. Such a geometry of the molecule will be more conducive to immobilization on the support surface. To confirm the results obtained, quantum-chemical calculations of the adsorption process of compounds I, II, III were carried out on a carbon support model using the DFT method on the B3LIP/6-31+G(2d,p) basis. For calculations, a model of a graphene surface was used, consisting of 28 conjugated cycles (Fig. 3).
Предположительно, структура 1,10-фенантролина - плоская, структурно-жесткая молекула, которая сорбируется исключительно по механизму π-π -стейкинга. Это соединение не может адсорбироваться порами, так как молекула большая и жесткая. Энергетически такой вид сорбции не особо выгоден, поэтому процесс протекает достаточно долго. В случае молекулы 4,4'-бипиридина энергетически более выгодна плоская конфигурация, в отличие от 2,2'-бипиридина, для сорбции по механизму π-π стейкинга, поскольку в случае 2,2'-бипиридина неподеленные электронные пары азота в плоской конфигурации будут в большей степени отталкиваться друг от друг, следовательно, энергетически такая ситуация не выгодна. Поэтому можно допустить, что 2,2'-бипиридин будет сорбироваться за счет структурного типа сорбции, то есть будет сорбироваться только порами углеродного материала. Тогда как в случае молекулы 4,4'-бипиридина сорбция может протекать по смешанному механизму: по π-π - стейкингу, и по структурному типу взаимодействия.Presumably, the structure of 1,10-phenanthroline is a flat, structurally rigid molecule, which is sorbed exclusively by the π-π-staking mechanism. This compound cannot be adsorbed by pores because the molecule is large and rigid. Energetically, this type of sorption is not particularly favorable, so the process takes a long time. In the case of the 4,4'-bipyridine molecule, the planar configuration is energetically more favorable, in contrast to 2,2'-bipyridine, for sorption by the π-π staking mechanism, since in the case of 2,2'-bipyridine, the unshared electron pairs of nitrogen in the planar configuration will repel each other to a greater extent, therefore, energetically this situation is not favorable. Therefore, it can be assumed that 2,2'-bipyridine will be sorbed due to the structural type of sorption, that is, it will be sorbed only by the pores of the carbon material. Whereas in the case of the 4,4'-bipyridine molecule, sorption can proceed by a mixed mechanism: by π-π - staking, and by the structural type of interaction.
Чтобы удостовериться в достоверности полученных результатов, были построены изотермы Ленгмюра и рассчитаны константа адсорбции (K), предельное значение адсорбции (А∞) и свободная энергия процесса адсорбции (ΔG°адс). В табл. 1 представлены параметры сорбции ацетонитрильных растворов органических соединений на углеродсодержащем носителе VulcanXC-72. О характере поверхности сорбента можно судить по формам изотерм адсорбции (Фиг. 2). Можно отметить, что все изотермы характеризуются выпуклой формой, что соответствует мономолекулярному типу адсорбции. Подобный тип равновесия описывается уравнением Ленгмюра:To verify the validity of the results obtained, Langmuir isotherms were constructed and the adsorption constant (K), adsorption limit value (A ∞ ) and free energy of the adsorption process (ΔG° ads ) were calculated. In table. Figure 1 shows the parameters of sorption of acetonitrile solutions of organic compounds on a carbon-containing carrier VulcanXC-72. The nature of the surface of the sorbent can be judged by the forms of adsorption isotherms (Fig. 2). It can be noted that all isotherms are characterized by a convex shape, which corresponds to the monomolecular type of adsorption. A similar type of equilibrium is described by the Langmuir equation:
где А - величина адсорбции, моль/кг;where A is the adsorption value, mol/kg;
А∞ - предельная мономолекулярная адсорбция;A ∞ - limiting monomolecular adsorption;
К - константа адсорбционного равновесия;K is the adsorption equilibrium constant;
С - концентрация адсорбата в растворе, кмоль/м3.C is the concentration of the adsorbate in the solution, kmol/m 3 .
Экспериментальные результаты адсорбции обрабатывают с помощью уравнения Ленгмюра, записанного в линейной форме:The experimental results of adsorption are processed using the Langmuir equation written in linear form:
Графическая зависимость выражается прямой, пересекающей ось ординат. Отрезок, отсекаемый на оси ординат, определяет величину, обратную емкости монослоя . Тангенс угла наклона прямой равен , что позволяет найти константу адсорбционного равновесия Кравн.Graphic dependency is expressed by a straight line intersecting the y-axis. The segment cut off on the y-axis determines the reciprocal of the monolayer capacitance . The tangent of the slope of the straight line is , which makes it possible to find the adsorption equilibrium constant K equal .
Изотермы приведены к линейной форме (Фиг. 4), для которых рассчитаны следующие параметры: tgα (тангенс угла наклона прямой), Kравн (константу адсорбционного равновесия), ΔG°адс (изменение энергии Гиббса адсорбции).The isotherms are reduced to a linear form (Fig. 4), for which the following parameters are calculated: tgα (tangent of the slope of the straight line), K equals (adsorption equilibrium constant), ΔG° ads (change in the Gibbs energy of adsorption).
Для I соединения ;For I connection ;
для II ;for II ;
для III .for III .
Тангенс угла наклона прямой равен:The tangent of the slope of the straight line is:
Для I : tg α = 0,1159;For I: tan α = 0.1159;
II : tg α = 0,1134;II: tan α = 0.1134;
III : tg α = 0,0531;III: tgα = 0.0531;
и позволяет найти константу адсорбционного равновесия Кравн.:and allows you to find the constant of adsorption equilibrium K equal. :
Для I: Кравн.=;For I: Equal. = ;
II: Кравн.=;II: Equal. = ;
III: Кравн.=.III: Equal. = .
Зная константу адсорбционного равновесия можно рассчитать изменение энергии Гиббса адсорбции:Knowing the adsorption equilibrium constant, we can calculate the change in the Gibbs energy of adsorption:
Для I : ΔG°адс = - 8,31 ⋅ 298 ⋅ ln 7874 = -22216,41 ДжFor I: ΔG° ads = - 8.31 ⋅ 298 ⋅ ln 7874 = -22216.41 J
II : ΔG°адс = - 8,31 ⋅ 298 ⋅ ln 10000 = -22808,3 ДжII: ΔG° ads = - 8.31 ⋅ 298 ⋅ ln 10000 = -22808.3 J
III : ΔG°адс = - 8,31 ⋅ 298 ⋅ ln 25582 = -25134,37 ДжIII: ΔG° ads = - 8.31 ⋅ 298 ⋅ ln 25582 = -25134.37 J
Как видно из данных, приведенных в таблице 1, параметр А∞, который характеризует эффективность процесса, наибольший для соединения I, затем для II и уменьшается для III. Увеличение размера и объема молекулы соединения III, по сравнению с соединением I, приводит к тому, что практически в полтора раза понижается максимальная адсорбция А∞, что хорошо согласуется с выводом о том, что лимитирующим видом адсорбции является структурный тип.As can be seen from the data given in Table 1, parameter A∞, which characterizes the efficiency of the process, the largest for compound I, then for II and decreases for III. An increase in the size and volume of the molecule of compound III, in comparison with compound I, leads to the fact that the maximum adsorption of A decreases by almost one and a half times.∞, which agrees well with the conclusion that the limiting type of adsorption is the structural type.
Интересно отметить, что изменение положения азота в молекуле 4,4'-бипиридина приводит к незначительному уменьшению параметра А∞, тогда как наличие дополнительного конденсированного цикла приводит к тому, что параметр А∞ снижается практически в 1,5 раза по сравнению с соединением I. Также важно отметить, что при наименьших значениях А∞ для соединения III, значение К практически в три раза больше чем значения К для соединений I и II, и значение ΔG°адс также существенно выше.It is interesting to note that a change in the position of the nitrogen in the 4,4'-bipyridine molecule leads to a slight decrease in the А ∞ parameter, while the presence of an additional condensed ring leads to a decrease in the А ∞ parameter by almost 1.5 times compared to compound I. It is also important to note that at the lowest A ∞ values for compound III, the K value is almost three times greater than the K values for compounds I and II, and the ΔG° ads value is also significantly higher.
Значения свободной энергии адсорбции во всех случаях примерно одинаковые, что говорит о схожем процессе адсорбции. Так же, все значения ΔG°адс отрицательные, то есть процесс протекает самопроизвольно. Для 1,10-фенантролина изменение энергии Гиббса адсорбции ΔG°адс выше, чем у двух других соединений, поэтому аналитический процесс сорбции наиболее выгоден. В связи с низкой скоростью адсорбции, количество участков, способных к сорбции незначительно, а сам процесс намного выгоднее за счет π-π - взаимодействия.The values of the free energy of adsorption are approximately the same in all cases, which indicates a similar adsorption process. Also, all values of ΔG° ads are negative, that is, the process proceeds spontaneously. For 1,10-phenanthroline, the change in the Gibbs energy of adsorption ΔG° ads is higher than for the other two compounds; therefore, the analytical sorption process is most advantageous. Due to the low adsorption rate, the number of sites capable of sorption is insignificant, and the process itself is much more profitable due to π-π interaction.
Таким образом, исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что молекула I адсорбируется в порах на углеродном носителе не по механизму π-π-стейкинга, а за счет физической адсорбции. Тогда как молекула III сорбируется исключительно по π-π - взаимодействию на участках углеродного материала, обладающего подходящей геометрией углеродного полотна. А молекула II в свою очередь может сорбироваться по двум параллельным механизмам: за счет π-π-стейкинга, и за счет механизма физической сорбции порами сорбента.Thus, based on the data obtained, it can be concluded that the I molecule is adsorbed in pores on a carbon support not by the π-π-staking mechanism, but due to physical adsorption. While the III molecule is sorbed exclusively by π-π - interaction on the areas of the carbon material, which has a suitable geometry of the carbon web. And the molecule II, in turn, can be sorbed by two parallel mechanisms: due to π-π-staking, and due to the mechanism of physical sorption by the pores of the sorbent.
Для изучения электрохимических свойств представленных систем был использован метод циклической вольтамперометрии (ЦВА). Все соединения, иммобилизованные на поверхности углеродного носителя, электрохимически активны в катодной области при потенциалах, близких к потенциалам исходных соединений (Фиг. 5). Кроме этого, для всех систем была исследована зависимость lgIp-lgv, в результате чего получили наклон кривой, близкий к 1. Это позволяет говорить о том, что лимитирующей стадией процесса является быстрая миграция электрона с поверхности электрода к каталитическому центру. Полученные значения свидетельствуют о высокой эффективности изучаемых электрокаталитических систем.To study the electrochemical properties of the presented systems, the method of cyclic voltammetry (CV) was used. All compounds immobilized on the surface of the carbon carrier are electrochemically active in the cathodic region at potentials close to the potentials of the initial compounds (Fig. 5). In addition, the lgIp-lgv dependence was studied for all systems, resulting in a curve slope close to 1. This suggests that the limiting stage of the process is the rapid migration of an electron from the electrode surface to the catalytic center. The obtained values testify to the high efficiency of the studied electrocatalytic systems.
Кроме этого, были построены поляризационные кривые (Фиг. 6), на основании которых отметим, что во всех случаях наблюдается наклон равный 57 мВ/дек, что соответствует протеканию процесса по механизму Гейровского.In addition, polarization curves were constructed (Fig. 6), on the basis of which we note that in all cases there is a slope equal to 57 mV/dec, which corresponds to the process proceeding according to the Heyrovsky mechanism.
Далее для иммобилизованных соединений I, II и III были получены вольтамперные характеристики с использованием препаративного электролиза. Вольтамперные характеристики электролизера воды с мембранно-электродными блоками на основе образцов I, II и III на катоде, а также на основе аналогичного углеродного материала, активированного нанесенной на углеродный носитель Vulcan XC-72 металлической платиной и используемого в качестве контрольного образца (Фиг. 7). Видно, что для всех соединений близки между собой.Next, for immobilized compounds I, II, and III, current-voltage characteristics were obtained using preparative electrolysis. Volt-ampere characteristics of a water electrolyzer with membrane-electrode blocks based on samples I, II and III on the cathode, as well as on the basis of a similar carbon material activated by metallic platinum deposited on a Vulcan XC-72 carbon carrier and used as a control sample (Fig. 7) . It can be seen that for all compounds are close to each other.
Таким образом, полученные синтетические системы являются перспективными для использования в электролизерах воды, хотя активность этих электрокатализаторов уступает таковой для платиносодержащих материалов.Thus, the obtained synthetic systems are promising for use in water electrolyzers, although the activity of these electrocatalysts is inferior to that of platinum-containing materials.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2781376C1 true RU2781376C1 (en) | 2022-10-11 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2805744C1 (en) * | 2023-04-25 | 2023-10-23 | Людмила Александровна Климаева | Catalytic system for electrochemical process of producing molecular hydrogen |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2487965C2 (en) * | 2011-10-25 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" | Method of producing molecular hydrogen |
CN108325565A (en) * | 2018-02-01 | 2018-07-27 | 山西大学 | Multi-functional carbon-based base metal elctro-catalyst of one kind and its preparation method and application |
WO2022018243A1 (en) * | 2020-07-24 | 2022-01-27 | Fundació Institut Català D'investigació Química | Catalyst anchoring method, oligomeric ruthenium-ligand compositions therefrom|and their use in water oxidation |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2487965C2 (en) * | 2011-10-25 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" | Method of producing molecular hydrogen |
CN108325565A (en) * | 2018-02-01 | 2018-07-27 | 山西大学 | Multi-functional carbon-based base metal elctro-catalyst of one kind and its preparation method and application |
WO2022018243A1 (en) * | 2020-07-24 | 2022-01-27 | Fundació Institut Català D'investigació Química | Catalyst anchoring method, oligomeric ruthenium-ligand compositions therefrom|and their use in water oxidation |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2805744C1 (en) * | 2023-04-25 | 2023-10-23 | Людмила Александровна Климаева | Catalytic system for electrochemical process of producing molecular hydrogen |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shabangoli et al. | An integrated electrochemical device based on earth-abundant metals for both energy storage and conversion | |
Jin et al. | Exploration of Zr–metal–organic framework as efficient photocatalyst for hydrogen production | |
Chen et al. | Impregnation of graphene quantum dots into a metal–organic framework to render increased electrical conductivity and activity for electrochemical sensing | |
Noh et al. | Redox-mediator-assisted electrocatalytic hydrogen evolution from water by a molybdenum sulfide-functionalized metal–organic framework | |
Singh et al. | Metal–organic framework‐derived Fe/Co‐based bifunctional electrode for H2 production through water and urea electrolysis | |
Liu et al. | Controlled growth interface of charge transfer salts of nickel-7, 7, 8, 8-tetracyanoquinodimethane on surface of graphdiyne | |
Chen et al. | Active and durable hydrogen evolution reaction catalyst derived from Pd-doped metal–organic frameworks | |
CN107447228B (en) | Method for electrocatalytic reduction of carbon dioxide | |
Das et al. | Extraordinary hydrogen evolution and oxidation reaction activity from carbon nanotubes and graphitic carbons | |
Zhang et al. | Electrochemical ammonia synthesis from N2 and H2O catalyzed by doped LaFeO3 perovskite under mild conditions | |
Dubey et al. | Hydrogen generation by water electrolysis using carbon nanotube anode | |
Ampelli et al. | CO 2 capture and reduction to liquid fuels in a novel electrochemical setup by using metal-doped conjugated microporous polymers | |
Abbas et al. | Synthesis of a Nickel Single-Atom Catalyst Based on Ni–N4–x C x Active Sites for Highly Efficient CO2 Reduction Utilizing a Gas Diffusion Electrode | |
Tian et al. | Photoassisted preparation of cobalt phosphate/graphene oxide composites: a novel oxygen-evolving catalyst with high efficiency | |
Hassani et al. | Porous nitrogen-doped graphene prepared through pyrolysis of ammonium acetate as an efficient ORR nanocatalyst | |
He et al. | Hydrophobicity modulation on a ferriporphyrin-based metal–organic framework for enhanced ambient electrocatalytic nitrogen fixation | |
Ehsan et al. | Hierarchical growth of CoO nanoflower thin films influencing the electrocatalytic oxygen evolution reaction | |
Gibbons et al. | A potential roadmap to integrated metal organic framework artificial photosynthetic arrays | |
JP2010528403A (en) | Photocatalytic electrode and fuel cell | |
Sinha et al. | Nickel–Vanadium–Manganese Trimetallic Nitride as Energy Saving, Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Alkaline Water Splitting via Urea Electrocatalysis | |
Alsaç et al. | A cyanide-based coordination polymer for hydrogen evolution electrocatalysis | |
Nune et al. | Metal Dicyanamides as Efficient and Robust Water‐Oxidation Catalysts | |
Amer et al. | Bifunctional vanadium doped mesoporous Co3O4 on nickel foam towards highly efficient overall urea and water splitting in the alkaline electrolyte | |
Babar et al. | Engineered modular design of a nanoscale CoNP/AUnano hybrid assembly for high-performance overall water splitting | |
Zahran et al. | Nickel sulfate as an influential precursor of amorphous high-valent Ni (III) oxides for efficient water oxidation in preparation via a mixed metal-imidazole casting method |