بررسی رفتار الکتروکاتالیستی مورفولوژی های مختلف پوشش های نیکل در واکنش الکترواکسایش اوره
الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوینزهرا نیک سرشت 1 , رسول امینی 2 , محسن سروری 3
1 - دانشجوی دانشگاه صنعتی شیراز
2 - دانشیار دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران.
3 - استادیار شیمی ، دانشکده شیمی، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران
الکلمات المفتاحية: رسوب دهی الکتریکی, پیل سوختی اوره, الکترواکسایش اوره, الکتروکاتالیست نیکل,
ملخص المقالة :
مقدمه: رها شدن پساب های غنی از اوره یک تهدید جدی برای محیط زیست محسوب می شود. حذف اوره به روش الکترواکسایش، یک تکنیک موثر است که علاوه بر تصفیه آب، همراه با تولید انرژی الکتریسیته است. مهم ترین اقدام بهبود سینتیکی این تکنیک، انتخاب مواد و طراحی الکتروکاتالیست ها می باشد. در این پژوهش، اثر الکتروکاتالیستی انواع مورفولوژی های نیکل بر الکترواکسایش اوره بررسی شد.
روش: ابتدا تحت تاثیر مقادیر مختلف افزودنی در الکترولیت پوشش دهی، به روش رسوب دهی الکتریکی، طی دو مرحله پوشش های نیکل ساخته شدند. سپس بررسی های ریزساختاری، زبری سطح و رفتار الکتروکاتالیستی به ترتیب توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی، زبری سنج و آزمون های الکتروشیمیایی در محیط قلیایی در حضور اوره بررسی شد.
یافتهها: مشاهدات میکروسکوپی، انوع مورفولوژی از ورق های عمود بر سطح تا ساختار توده ای و در نهایت ساختار شاخه ای شکل را آشکار کرد. زبری سنجی، افزایش تدریجی زبری را در حضور افزودنی تایید کرد. از طرفی، اثر مورفولوژی پوشش های نیکل بر رفتار الکتروکاتالیستی مشخص کرد که بیشترین میزان رفتار کاتالیستی، حاصل از ساختار سه بعدی شاخه ای شکل (افزودنی 240 گرم در لیتر) با جریان خروجی 59.19 میلی آمپر بر سانتیمتر مربع بود که در ادامه، توانایی کاتالیزگری در حضور غلظت های زیاد اوره تا 2 مولار تایید شد. کاتالیست بهینه، پایداری قابل توجهی در طولانی مدت از خود نشان داد.
نتیجهگیری: اثرغلظت ماده افزودنی بر مورفولوژی وموفولوژی بر رفتار الکتروکاتالیستی مشخص شد. بهترین رفتار الکتروکاتالیستی در حضور 240 گرم افزودنی در الکترولیت رسوب دهی الکتریکی حاصل شد.
1. Ramesh K, Singh, Kalaiyarasi R, Michael M ,and Schechter A, Electrooxidation of Urea: A Review, Advances in Catalytic, 2021, 9,8, 2100017, doi/10.1002/ente.202100017
2. Jinqi L, Jie Zh, Jing-He Y, Research progress and applications of nickel-based catalysts for electrooxidation of urea, Hydrogen Energy,, 2022,7 6 9 3 -7 7 1 2, doi/10.1016/j.ijhydene.2021.12.099
3. Xinrang Hu, Jiaye Zhu, Jiangfeng Li, and Qingsheng Wu, Urea electrooxidation: current development and understanding of Ni-based catalysts, ChemElectroChem, 2020, 7, 15, 3211-3228, doi/10.1002/celc.202000404
4. Xintong G, Shuai Z, Pengtang W, Mietek J, Yao Zh and Shi-Zhang Q, Urea catalytic oxidation for energy and environmental applications, 2024, 53, 1552-1591, doi/10.1039/d3cs00963g
5. Gao X, Zhang Sh, Wang P, Jaroniec M, Zheng Y, and Qiao Sh, Urea catalytic oxidation for energy and environmental applications, Chem Soc Rev, 2024, 53, 1552, doi/10.1039/d3cs00963g
6. Chaoqun P, Shuangqin C, Mingjie Z, Xianhao C, Baoan S, Si L, Horst H, and et.al, Direct Urea/H2O2 Fuel Cell with a Hierarchical Porous Nanoglass Anode for High-Efficiency Energy Conversion, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 24319−24328, doi /10.1021/acsami.3c00774
7. Singh R.K, Subramanian P, and Schechter A, Enhanced Urea Oxidation on Nickel deposited Tin Dendrites Catalyst, Chem Electro Chem, 2017, 4(5), 1037-1043, doi/10.1002/celc.201600862
8. Wang H, Zheng X, Fang L, and Lu Sh, Urea Electrooxidation in Alkaline Environment:Fundamentals and Applications, Chem Electro Chem, 2023, doi/10.1002/celc.202300138
9. Barakat N, Abdelkareem M.A, and Abdelghani E, Influence of Sn Content, Nanostructural Morphology, and Synthesis Temperature on the Electrochemical Active Area of Ni-Sn/C Nanocomposite: Verification of Methanol and Urea Electrooxidation, Catalysts, 2019, 9, 330, doi/10.3390/catal9040330
10. Yang K, Hao L, Hou Y, Zhang J, Yang J.H, Summary and application of Ni-based catalysts for electrocatalytic urea oxidation, Hydrogen Energy, 2023, doi/10.1016/j.ijhydene.2023.10.279
11. Mengrui Z, Jianping Z, Rong W, Bin L, Dongdi Z, Chao Z, and et.al, Insight into the synergistic effect between nickel and tungsten carbide for catalyzing urea electrooxidation in alkaline, Chemistry of Materials, 2022, 34, 959−969, doi/10.1021/acs.chemmater.1c02535
12. Li J, Wang Sh, Chang j, Feng L, A review of Ni based powder catalyst for urea oxidation in assisting water splitting reaction, Advanced Powder Materials, 2022, doi/10.1016/j.apmate.2022.01.003
13. Xue-Feng C, Li-Hua J, Xiao-Peng Z, Wen Y, Shang-Xiong W, Jing-Hui H, Zhou-Bing Z, Metal-Doped CoS Nanosheets: Breaking Scaling Limitations for Enhanced Urea Electrooxidation and Hydrogen Evolution, CS Appl. Mater. Interfaces, 2025, 17, 18, 26766–26774, dio/10.1021/acsami.5c03243
14. Liu J.L, Zhou X.Y, An J.L, Wang W.Q, Zhang M.D, Qin L, One Bifunctional Electrocatalyst Derived from Nickel MOF for Urea Oxidation Reaction and Hydrogen Evolution Reaction, Energy Fuels, 2022, 36, 17, 10346–10353, doi/10.1021/acs.energyfuels.2c02351
15. Abd El-Lateefa H.M, Khalaf M.M, Mohamed I, An efficient and non-precious anode electrocatalyst of NiO-modified carbon nanofibers towards electrochemical urea oxidation in alkaline media, Ceramics International, 2020, 128, doi/10.1016/j.ceramint.2020.05.128
16. Wang T, Wu H, Feng Ch, Ding Y, Mei H, Ni, N-codoped NiMoO 4 grown on 3D nickel foam as bifunctional electrocatalysts for hydrogen production in urea-water electrolysis, Electrochimica Acta, 2020, 391,138931, doi/10.1016/j.electacta.2021.138931
17. Yuan S, Wu Y, Chen W, Yin L, Hao J, Wang Y, Defects engineering of nickel tellurium electrocatalyst to boost urea oxidation reaction: Electrodeposition mechanism and performance, Alloys and Compounds, 2024,997, 174944, doi/10.1016/j.jallcom.2024,174944
18. Maruthapandian V, Kumaraguru Sh, Mohan S, Saraswathy V, and Muralidharan S, An Insight on the Electrocatalytic Mechanistic Study of Pristine Ni MOF (BTC) in Alkaline Medium for Enhanced OER and UOR, Chem Electro Chem, 2018, 5, 2795–2807, doi/10.1002/celc.201800802
19. Fei L, Sun H, Xu X, Li Yu, Ran Ran, Zhou W, Shao Z, Understanding the bifunctional catalytic ability of electrocatalysts for oxygen evolution reaction and urea oxidation Reaction: Recent advances and perspectives, Chemical Engineering Journal, 2023, 471,144660, doi/10.1016/j.cej.2023.144660
20. Hashemzadeh M, Raeissi K, Ashrafizadeh F, Khorsand S, Effect of ammonium chloride on microstructure, super-hydrophobicity and corrosion resistance of nickel coatings, Surface and Coatings Technology, 2015, 283, 318–328, doi/10.1016/j.surfcoat.2015.11.008
21. Leea J.M, Junga K.K, Leeb S.H, Ko J.S, One-step fabrication of nickel nanocones by electrodeposition using CaCl2 ·2H2O as capping reagent, Applied Surface Science, 2019, 369, 163–169, doi/10.1016/j.apsusc.2016.02.006
22. Zou1 R, Xiang S, Wang J, Li1 Y, Gu L and Wang Y, 3Dialectical Observation of Controllable Electrodeposited Ni Nanocones: the Unification of Local Disorder and Overall Order, Nanoscale Research Letters, 2020, 15, 91, doi/10.1186/s11671-020-03321-0
23. Hang T, Hu A, Ling H, Li M, Mao D, Super-hydrophobic nickel films with micro-nano hierarchical structure prepared by electrodeposition, Applied Surface Science, 2010, 256, 2400–2404, http://dio.org/10.1016/j.apsusc.2009.10.074
24. Barati Darband G, Aliofkhazraei M, Dolati A, Sabour Rouhaghdam A, Electrocrystallization of Ni nanocones from chloride-based bath using crystal modifier by electrochemical methods, Alloys and Compounds, 1019, doi/10.1016/j.jallcom.2019.152843
25. Kumari S, Sunaina, Devi S, Jha M, Excellent ethanol oxidation and oxygen evolution reaction from ultrafine nickel hydroxide nanorods stabilized at room temperature, Materials Science & Engineering B, 2024, 306, 117445, doi/10.1016/j.mseb.2024.117445
26. Shi W, Sun X, Ding R, Ying D, Huang Y, Trimetallic NiCoMo/graphene multifunctional electrocatalysts with moderate structural/electronic effects for highly efficient alkaline urea oxidation reaction, Chemical Communications, 2020,56, 6503-6506, doi/10.1039/D0CC02132F
27. Dongsheng W, Siwen L, Qiuping G, Jianniao T, Tayirjan Taylor I, Xiulin Y, Two-dimensional nickel hydroxide nanosheets with high-content of nickel(III) species towards superior urea electro-oxidation, Electroanalytical Chemistry,2018, doi/10.1016/j.jelechem.2018.10.007
28. Fen G, Ke Y, Kui C, Guiling W, Dianxue C, Preparation of nickel nanowire arrays electrode for urea electrooxidation in alkaline medium, Power Sources, 2015, 278, 562-568, doi/10.1016/j.jpowsour.2014.12.125
29.Gojkovic, Lj S, Mass transfer effect in electrochemical oxidation of methanol at platinum electrocatalysts, Electroanalytical Chemistry, 2004, 573, 2, 271-276, org/10.1016/j.jelechem.2004.07.013
30. Liu D, Li W, Li L, Ling H, You T, Facile preparation of Ni nanowire embedded nitrogen and sulfur dual-doped carbon nanofibers and its superior catalytic activity toward urea oxidation, Colloid and Interface Science, 2018, 529, 337-344, doi/10.1016/j.jcis.2018.06.021
