scholarly journals Synthesis and characterisation of new inorganic materials for energy conversion

2012 ◽  
Author(s):  
Μαρία Τσιαμτσούρη
Keyword(s):  
Impedance Spectroscopy ◽  
Oxygen Reduction Reaction ◽  
Energy Conversion ◽  
Oxygen Reduction ◽  
Double Perovskite ◽  
Reduction Reaction ◽  
Inorganic Materials ◽  
X Ray Diffraction ◽  
X Ray

Στην παρούσα εργασία εξετάζονται οι επιπτώσεις στη δομή και τις ιδιότητες του κυβικού συστήματοςπεροβσκίτη BSCF (με γενικό τύπο ΑΒΟ3, όπου Α: Ba, Sr και Β: Co, Fe), όταν τα στοιχεία μεταπτώσεως της θέσης Β αντικαθίστανται μερικώς με μολυβδένιο (Μο). Το BSCF είναι ένα υποψήφιο υλικό καθόδου για κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου ενδιάμεσης θερμοκρασίας (500-750°C) υποσχόμενο καλή ηλεκτροχημική απόδοση ως προς την αντίδραση αναγωγής οξυγόνου (oxygen reduction reaction, ORR). Η υποκατάσταση έχει ως στόχο τη βελτίωση της θερμικής αστάθειας και ασυμβατότητας με τους συνήθεις ηλεκτρολύτες που παρατηρείται για το μητρικό υλικό BSCF, με ταυτόχρονη διατήρηση της ηλεκτροχημικής απόδοσης.Ένα πλήθος δειγμάτων με χημική σύσταση Ba0.5Sr0.5Co0.8-xFe0.2-yMox+y03-δ (BSCFM) παρασκευάστηκε, όπου τα δείγματα διάφεραν ως προς την περιεκτικότητα σε Μο και ως προς τον λόγο Co/Fe. Ο χαρακτηρισμός διεξήχθη με συνδυασμό τεχνικών περίθλασης ακτίνων Χ (X-ray diffraction, XRD) και μικροσκοπίας. Διαπιστώθηκε ότι η εισαγωγή του Mo στο κυβικό πλέγμα της μητρικής ένωσης BSCF ευνοεί το σχηματισμό δομών περοβσκίτη με διπλάσιες παραμέτρους πλέγματος. Αυτές αναφέρονται ως δομές/φάσεις διπλού περοβσκίτη (double perovskite, DP) προκειμένου να είναι διακριτές από τις αντίστοιχες δομές/φάσεις απλού περοβσκίτη (single perovskite, SP). Ο διπλασιασμός των παραμέτρων πλέγματος αποδόθηκε στην ordering/διευθέτηση της θέσης Β μεταξύ Mo6+ και Co2+ λόγω της σημαντικής διαφοράς στο μέγεθος και στο φορτίο του κατιόντος. Οι φάσεις SP και DP συνυπήρχαν σε όλα τα δείγματα BSCFM που μελετήθηκαν, με αυξανόμενη περιεκτικότητα σε DP καθώς αυξάνεται η ποσότητα σε Mo6+.Εκτεταμένος χαρακτηρισμός της κρυσταλλικής δομής και των ηλεκτροχημικών ιδιότητων διεξήχθη για το δείγμα με χημική σύσταση Ba0.5Sr0.5Co0.5Fe0.125Mo0.375O3-δ, (συντομογραφία ωςBSCFMο0.375-(Co/Fe= 4), το οποίο παρουσίασε ευνοϊκό συνδυσμό σταθερότητας, συμβατότητας με τον ηλεκτρολύτη SDC (Sm0.2Ce0.8O1.9) που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη, καθώς καιηλεκτροχημικής απόδοοσης (με ειδική αντίσταση, 0.13 Ω.cm2 στους 650 οC). Όπως παρατηρήθηκε από τις μετρήσεις της ηλεκτρικής εμπέδησης (a.c. impedance spectroscopy) σε συνθήκες μερικής πίεσης οξυγόνου (pO2), η δραστικότητα ως προς την αντίδραση αναγωγής οξυγόνου (oxygen reduction reaction, ORR) βρέθηκε να επηρεάζεται/περιορίζεται πρωτίστως από τις ιδιότητες ως προς τη χημική ανταλλαγή οξυγόνου. Η πλήρης δομική ανάλυση του διφασικού υλικού BSCFMo0.375-(Co/Fe =4) ήταν μια μεγάλη πρόκληση και χρειάστηκε συνδυασμός δεδομένων περίθλασης νετρονίων και ακτίνων Χ. Η δομή ελέγθηκε διπλά με μια σειρά μεθόδων που περιελάμβαναν τεχνικές μικροσκοπίας, φασματοσκοπίας Mössbauer, ιωδομετρική τιτλοδότηση και η θερμοβαρυμετρική ανάλυση. Η βέλτιστη απόδοση του BSCFMo0.375-(Co/Fe= 4) μεταξύ των δειγμάτων BSCFM που μελετήθηκαν αποδόθηκε στη συνέργεια μεταξύ της κύριας φάσης DP (70% κατά βάρος), η οποία βρέθηκε πλήρης σε άτομα οξυγόνου (με τις οξειδωτικές καταστάσεις των στοιχείων μεταπτώσεων Co2+, Fe3+ και Mo+6) με τη δευτερεύουσα φάση SP (30% κατά βάρος) με σημαντική συγκέντρωση κενών θέσεων οξυγόνου (και τις οξεισωτικές καταστάσεις των στοιχείων μεταπτώσεων Fe3+, Co3+, Mo6+)

N and S Co-doped Ordered Mesoporous Carbon: An Efficient Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction in Microbial Fuel Cells

2020 ◽  
Vol 16 (4) ◽  
pp. 625-638
Author(s):  
Leila Samiee ◽  
Sedigheh Sadegh Hassani
Keyword(s):  
Oxygen Reduction Reaction ◽  
Oxygen Reduction ◽  
Microbial Fuel Cells ◽  
Carbon Materials ◽  
Reduction Reaction ◽  
Carbon Substrate ◽  
Promising Candidate ◽  
X Ray ◽  
Carbon Framework ◽  
Co Doped

Background: Porous carbon materials are promising candidate supports for various applications. In a number of these applications, doping of the carbon framework with heteroatoms provides a facile route to readily tune the carbon properties. The oxygen reduction reaction (ORR), where the reaction can be catalyzed without precious metals is one of the common applications for the heteroatom-doped carbons. Therefore, heteroatom doped catalysts might have a promising potential as a cathode in Microbial fuel cells (MFCs). MFCs have a good potential to produce electricity from biological oxidization of wastes at the anode and chemical reduction at the cathode. To the best of our knowledge, no studies have been yet reported on utilizing Sulfur trioxide pyridine (STP) and CMK-3 for the preparation of (N and S) doped ordered porous carbon materials. The presence of highly ordered mesostructured and the synergistic effect of N and S atoms with specific structures enhance the oxygen adsorption due to improving the electrocatalytic activity. So the optimal catalyst, with significant stability and excellent tolerance of methanol crossover can be a promising candidate for even other storage and conversion devices. Methods: The physico-chemical properties of the prepared samples were determined by Small Angle X-ray Diffraction (SAXRD), N2 sorption-desorption, Transmission Electron Microscopy (TEM), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) and X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). The prepared samples were further applied for oxygen reduction reaction (ORR) and the optimal cathode was tested with the Microbial Fuel Cell (MFC) system. Furthermore, according to structural analysis, The HRTEM, and SAXRD results confirmed the formation of well-ordered hexagonal (p6mm) arrays of mesopores in the direction of (100). The EDS and XPS approved that N and S were successfully doped into the CMK-3 carbon framework. Results: Among all the studied CMK-3 based catalysts, the catalyst prepared by STP precursor and pyrolysis at 900°C exhibited the highest ORR activity with the onset potential of 1.02 V vs. RHE and 4 electron transfer number per oxygen molecule in 0.1 M KOH. The high catalyst durability and fuel-crossover tolerance led to stable performance of the optimal cathode after 5000 s operation, while the Pt/C cathode-based was considerably degraded. Finally, the MFC system with the optimal cathode displayed 43.9 mW·m-2 peak power density showing even reasonable performance in comparison to a Pt/C 20 wt.%.cathode. Conclusions: The results revealed that the synergistic effect of nitrogen and sulfur co-doped on the carbon substrate structure leads to improvement in catalytic activity. Also, it was clearly observed that the porous structure and order level of the carbon substrate could considerably change the ORR performance.

scholarly journals Eco-Friendly Nitrogen-Doped Graphene Preparation and Design for the Oxygen Reduction Reaction

Molecules ◽  
2021 ◽  
Vol 26 (13) ◽  
pp. 3858
Author(s):  
Monica Dan ◽  
Adriana Vulcu ◽  
Sebastian A. Porav ◽  
Cristian Leostean ◽  
Gheorghe Borodi ◽  
...  
Keyword(s):  
Oxygen Reduction Reaction ◽  
Oxygen Reduction ◽  
Rotating Disk ◽  
Reduction Reaction ◽  
Machine Learning Algorithms ◽  
Rotating Disk Electrode ◽  
X Ray ◽  
Synthesis Conditions ◽  
Characterization Techniques ◽  
Doped Graphene

Four N-doped graphene materials with a nitrogen content ranging from 8.34 to 13.1 wt.% are prepared by the ball milling method. This method represents an eco-friendly mechanochemical process that can be easily adapted for industrial-scale productivity and allows both the exfoliation of graphite and the synthesis of large quantities of functionalized graphene. These materials are characterized by transmission and scanning electron microscopy, thermogravimetry measurements, X-ray powder diffraction, X-ray photoelectron and Raman spectroscopy, and then, are tested towards the oxygen reduction reaction by cyclic voltammetry and rotating disk electrode methods. Their responses towards ORR are analysed in correlation with their properties and use for the best ORR catalyst identification. However, even though the mechanochemical procedure and the characterization techniques are clean and green methods (i.e., water is the only solvent used for these syntheses and investigations), they are time consuming and, generally, a low number of materials can be prepared, characterized and tested. In order to eliminate some of these limitations, the use of regression learner and reverse engineering methods are proposed for facilitating the optimization of the synthesis conditions and the materials’ design. Thus, the machine learning algorithms are applied to data containing the synthesis parameters, the results obtained from different characterization techniques and the materials response towards ORR to quickly provide predictions that allow the best synthesis conditions or the best electrocatalysts’ identification.

scholarly journals Surface X-ray Scattering of Pd(111) and Pd(100) Electrodes during the Oxygen Reduction Reaction

2011 ◽  
Vol 79 (4) ◽  
pp. 256-260 ◽  
Author(s):  
Keita NAITO ◽  
Masashi NAKAMURA ◽  
Osami SAKATA ◽  
Nagahiro HOSHI
Keyword(s):  
Oxygen Reduction Reaction ◽  
Oxygen Reduction ◽  
Reduction Reaction ◽  
X Ray ◽  
X Ray Scattering ◽  
Ray Scattering

Hollow mesoporous carbon nanocages with Fe isolated single atomic site derived from MOF/polymer for highly efficient electrocatalytic oxygen reduction

2021 ◽  
Author(s):  
Kai Zhang ◽  
Bai Yang ◽  
Congcong Wang ◽  
Yixin Chen ◽  
Ying Liu ◽  
...  
Keyword(s):  
Oxygen Reduction Reaction ◽  
Energy Conversion ◽  
Oxygen Reduction ◽  
Mesoporous Carbon ◽  
Reduction Reaction ◽  
Atomic Site ◽  
Highly Efficient ◽  
Electrocatalytic Oxygen Reduction ◽  
Conversion Technologies

Exploring sustainable and highly activity electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) is vital for the development and application of energy conversion technologies. Here, we prepared Fe isolated-single atomic-site (ISAs)...

Ethanol: Tolerant Oxygen Reduction Reaction Catalysts in Alkaline Media

2018 ◽  
Vol 16 (2) ◽  
Author(s):  
Chakkrapong Chaiburi ◽  
Bernd Cermenek ◽  
Birgit Elvira Pichler ◽  
Christoph Grimmer ◽  
Viktor Hacker
Keyword(s):  
Oxygen Reduction Reaction ◽  
Oxygen Reduction ◽  
State Of The Art ◽  
Rotating Disk ◽  
Reduction Reaction ◽  
Rotating Disk Electrode ◽  
Alkaline Media ◽  
Direct Ethanol Fuel Cells ◽  
X Ray ◽  
Transmission Electron

This paper describes electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR) in alkaline direct ethanol fuel cells (ADEFCs), using the non-noble metal electrocatalyst Ag/C, MnO2/C and AgMnO2/C. These electrocatalysts showed tolerance toward ethanol in alkaline media and therefore resistance to ethanol crossover in ADEFCs. Transmission electron microscopy, X-ray spectroscopy (EDX), cyclic voltammetry, and rotating disk electrode (RDE) were employed to determine the morphology, composition, and electrochemical activity of the catalysts. The herein presented results confirm that the AgMnO2/C electrocatalyst significantly outperforms the state-of-the art ORR catalyst platinum.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document