Verwertung verbrauchter doppelt substituierter Co

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19354 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Suche nach geeigneten, kostengünstigen Elektrokatalysatormaterialien für die Methanoloxidation ist eine große Herausforderung. Die Abfallverwertung verbrauchter Abwasser-Nanoadsorbentien ist ein vielversprechender Weg zur Umsetzung der Richtlinien für die Kreislaufwirtschaft. In dieser Studie kann der Rest von geschichtetem Doppelhydroxid (LDH) als Elektrokatalysator in Direktmethanol-Brennstoffzellen als neuartiger Ansatz verwendet werden. Das Co-Ni-Zn-Fe-LDH wurde durch die Kopräzipitationsmethode und anschließende Adsorption von Methylorange (MO) hergestellt. Darüber hinaus wurde das verbrauchte Adsorptionsmittel bei verschiedenen Temperaturen (200, 400 und 600 °C) kalziniert, um in die entsprechenden gemischten Metalloxide (MMO) umgewandelt zu werden. Die vorbereiteten Proben wurden mithilfe von XRD-, FTIR-, HRTEM-, Zetapotential- und hydrodynamischen Größenmessungen charakterisiert. Das verbrauchte Adsorptionsmittel wurde als Elektrokatalysator für die direkte Elektrooxidation von Methanol getestet. Das verbrauchte LDH/MO-Adsorptionsmittel zeigte eine maximale Stromdichte von 6,66 mA/cm2 bei einer Abtastrate von 50 mV/s und einer Methanolkonzentration von 1 M. Das verbrauchte MMO/MO-Adsorptionsmittel zeigte eine maximale Stromdichte von 8,40 mA/cm2 bei einer Kalzinierungstemperatur von 200 °C, einer Scanrate von 50 mV/s und einer Methanolkonzentration von 3 M. Beide Proben zeigen über die Zeit eine angemessene Stabilität, wie aus der chronoamperometrischen Reaktion hervorgeht. Die weitere Nanotechnik gebrauchter Nanoadsorbentien könnte ein vielversprechender Weg zur Wiederverwendung dieser Abfälle als Elektrooxidationskatalysatoren sein.

Die saubere und nachhaltige Energieerzeugung ist eine der größten Herausforderungen der Welt. Brennstoffzellen haben im Vergleich zu anderen Standard-Energiespeichergeräten aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie niedrige Kosten, geringe Emissionen, innovative Smogverschmutzung und einfache Struktur1 große Aufmerksamkeit bei der Stromerzeugung auf sich gezogen1. Brennstoffzellentechnologien sind eine saubere Methode zur Erzeugung elektrischer Energie aus gespeicherter chemischer Energie mit hohem Direktumwandlungswirkungsgrad und geringer Umweltbelastung2. Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFCs) sind vielversprechende Energiequellen für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und tragbare elektronische Geräte. Niedrige Betriebstemperatur, einfacher Transport und Lagerung des Kraftstoffs, hohe Energieeffizienz und schnelles Starten sind nur einige der Vorteile von Methanol als Kraftstoff3. Platin ist der am häufigsten verwendete DMFC-Anodenkatalysator, da er eine ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität für Methanol und Langzeitstabilität in einer Elektrolytlösung aufweist. Allerdings ist Platin teuer und wird schnell durch CO oder andere kohlenstoffhaltige Zwischenprodukte vergiftet, was zu einer Verschlechterung der elektrokatalytischen Leistung führt4,5.

Aufgrund ihres großen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, ihrer ungewöhnlichen Struktur und ihrer attraktiven physikalisch-chemischen Eigenschaften sind Nanomaterialien für das Studium der Elektrochemie interessant6. Es wurde eine beträchtliche Anzahl atomar dünner 2D-Materialien synthetisiert, darunter Metallchalkogenide, Phosphor, Bornitrid und geschichtete Doppelhydroxide (LDHs)7. LDHs bestehen hauptsächlich aus positiv geladenen Brucit-ähnlichen Metallhydroxidschichten, die durch schwach gebundene interkalierende hydratisierte Anionen getrennt sind, die üblicherweise als [M(1−x)2+M(x)3+(OH)2]x+[An −]x/n·mH2O, wobei M2+ und M3+ zweiwertige bzw. dreiwertige Metallkationen sind und An− das ladungsausgleichende Anion ist8. Der Rest von LDH kann als Elektrokatalysator in Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFCs) als neuartiger Ansatz verwendet werden9. Die Abfallverwertung gilt als einer der optimalen Wege zur Verwirklichung und Umsetzung der Strategien und Stufen einer Kreislaufwirtschaft10. Die Abfallverwertung bietet einen nachhaltigen Ansatz zur Minderung der negativen Umweltauswirkungen von Siedlungs- und Industrieabfällen11. Eine der schwierigsten Quellen für Industrieabfälle sind verbrauchte Nanoadsorbentien, die mit verschiedenen Arten von Schadstoffen gesättigt sind. Die Hauptquelle der Wasserverschmutzung sind die aus Industrieabfällen freigesetzten organischen Farbstoffe, die aufgrund ihrer krebserregenden Natur äußerst schädlich sind12. Es wurden mehrere Methoden zur Entfernung biologischer Schadstoffe und Wasserschadstoffe aus der Umwelt und dem Haushaltsabwasser entwickelt13. Die Erforschung neuer Wege zur Wiederverwendung verbrauchter Adsorbentien ist eine hartnäckige und herausfordernde Aufgabe, deren Bewältigung erhebliche Anstrengungen erfordert. Rial et al.14. Kürzlich wurden die berichteten Ansätze zur Aufwertung verbrauchter Abwasseradsorbentien überprüft. Zu diesen Ansätzen gehören das Recycling als Katalysatoren für die chemische Synthese, ihre Wiederverwendung als weitere Adsorptionsmittel für andere Schadstoffe, ihre Verwendung als zementäre Füllstoffe und/oder ihre Verwendung in einigen verschiedenen industriellen Anwendungen14.

Unsere Forschungsgruppe hat zu diesem Forschungspfad beigetragen, indem sie neuartige Techniken zur Wiederverwendung und/oder Aufwertung verbrauchter Adsorbentien erforscht hat. Moustafa et al.15 berichteten über die erfolgreiche Wiederverwendung verbrauchter Zn-Fe-Schichtdoppelhydroxid-Nanoadsorbentien (LDH), nachdem sie für die Adsorption von Methylorange (MO) als Methylenblau-Adsorbentien (MB) verwendet worden waren. Die Autoren berichteten von einer schnellen Adsorptionsgleichgewichtszeit von 5 Minuten und führten die MB-Adsorption auf die neuen funktionellen Gruppen zurück, die durch die Einführung von MO in die Zn-Fe-LDH-Oberfläche entstehen. Mahmoud et al.16 verwendeten Zn-Fe-LDH zur Farbstoffadsorption in Einzel- und Ternärsystemen (Methylorange, Malachitblau und Methylengrün). Sie untersuchten die Struktur des vorbereiteten Materials mit physikalischen und chemischen Methoden. Die Adsorptionsmechanismen von Farbstoffen wurden mithilfe von XRD- und FTIR-Analysen sowie Monte-Carlo-Simulationen untersucht. LDH zeigte auch, dass es als Photokatalysator für farbstoffverschmutztes Wasser eingesetzt werden kann. Abdel-Hady et al.9 verfolgten einen anderen Ansatz, bei dem Zn-Co-Fe-LDH als Nanoadsorbens für die MB-Adsorption verwendet wurde. Anschließend wurde das verbrauchte Adsorptionsmittel als direkter Methanol-Elektrooxidationskatalysator getestet. Die Autoren berichteten von einer maximalen Stromdichte von 41,11 mA/cm2 bei 50 mV/s und einer Methanolkonzentration von 3 M.

In dieser Studie berichten wir über die Wiederverwendung verbrauchten doppelt substituierten Co-Ni-Zn-Fe-LDH-Adsorbens nach der MO-Adsorption als Elektrokatalysator für die direkte Elektrooxidation von Methanol. Darüber hinaus wurde das verbrauchte LDH-Adsorptionsmittel bei verschiedenen Temperaturen (200, 400 und 600 °C) kalziniert, um die Proben in die entsprechenden zweidimensionalen gemischten Metalloxide (MMO) umzuwandeln. Alle Proben wurden als Direktmethanol-Brennstoffzellenanoden (DMFC) in einem elektrochemischen Drei-Elektroden-Aufbau bei unterschiedlichen Methanolkonzentrationen und Abtastraten getestet. Die Verwendung restlicher LDHs zur Modifizierung von Elektroden ist eine neuartige Technik zur Katalyse der Methanoloxidation.

Zinknitrat und Nickelnitrat wurden von Chem-Lab NV (Belgien) bzw. Alpha Chemical (Indien) bezogen. Sowohl Eisennitrat als auch Kobaltnitrat wurden von Oxford (Indien) geliefert. Salzsäure wurde von Carlo Erba Reagenzien (Frankreich) geliefert, während NaOH von Piochem für Laborchemikalien (Ägypten) bezogen wurde. Methylorange (MO) wurde von Oxford Laboratory Reagents (Indien) bezogen. Alle verwendeten Chemikalien waren für analytische Reagenzien geeignet und wurden ohne weitere Reinigung (so wie sie geliefert wurden) verwendet.

Die Co-Präzipitationsmethode wurde zur Herstellung von Co-Ni-substituiertem Zn-Fe-LDH nach einem ähnlichen Verfahren wie in unserer vorherigen Arbeit verwendet15. Mit der Kopräzipitationsmethode wird eine im Vergleich zu anderen Syntheseverfahren kleine Kristallgröße mit einer äußerst homogenen Kationenmischung erzielt17,18. Abbildung 1 zeigt die Herstellung von Co-Ni-Zn-Fe-LDH. Kurz gesagt, die Metallnitrate wurden in einem Molverhältnis von 1:1:1:1 gemischt und durch langsame Zugabe (0,1 ml/min) einer 2 M NaOH-Lösung ausgefällt, bis der pH-Wert der Lösung 8 erreicht hatte, um eine vollständige Ausfällung zu gewährleisten. Das resultierende Material wurde über Nacht unter ständigem Rühren gealtert. Die gebildete Suspension wurde dann filtriert und mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen, um überschüssiges OH zu entfernen, und dann mit Ethanol gewaschen. Aus flüssigen Proben wurden vor und nach der Adsorption bei 200, 400 und 600 °C in einer inerten Atmosphäre (Argonfluss) kalziniert. Abbildung 1 wurde mit der Software Wondershare EdrawMax Version 10 erstellt.

Herstellung von Co-Ni-Zn-Fe-LDH und Co-Ni-Zn-Fe-LDH/MO.

0,05 g Co-Ni-Zn-Fe-LDH wurden in ein Falcon-Röhrchen mit 50 ml verdünnter MO-Lösung (50 ppm) gegeben. Das Falcon-Röhrchen wurde mit einem Orbitalschüttler (SO330-Pro) 24 Stunden lang bei 250 U/min geschüttelt, bis das Gleichgewicht erreicht war. Nach dem Adsorptionsexperiment wurde eine Filtration (mit Millipore Millex-G, Spritzenfilter mit 0,22 µm Porengröße) verwendet, um den Katalysator von der Lösung zu trennen. Anschließend wurde mehrmals gewaschen, um das Co-Ni-Zn-Fe-LDH/MO-Nanokomposit zu erhalten, das 12 Stunden lang bei 50 °C getrocknet wurde15.

Das Zetapotential und die hydrodynamische Partikelgröße werden verwendet, um Ladungen auf der Oberfläche einer Substanz in Lösung zu untersuchen und das Ausmaß der elektrostatischen Anziehung, der Aggregationsursachen, der Partikelstabilität und der durchschnittlichen Partikelgröße zu quantifizieren19. Die synthetischen Proben wurden unter Ultraschall gründlich in entionisiertem Wasser dispergiert, um ein suspendiertes Kolloid mit einer Konzentration von 1,0 g/L zu erzeugen. Vor den Messungen wurde die Temperatur auf 25 °C eingestellt. Der Test wird in einer pH-neutralen Umgebung (pH = 7)20 durchgeführt.

Das synthetisierte LDH wurde durch XRD (PANalytical Empyean, Schweden) charakterisiert. Die verwendete Beschleunigungsspannung betrug 40 kV und 30 mA Strom (im Bereich von 5 bis 60° Scanwinkel und einem Scanschritt von 0,05°). Bruker (Vertex 70 FTIR-FT Raman), Deutschland Für FTIR-Messungen wurde FTIR-Spektrophotometrie (Seriennummer 1341) verwendet, die einen Frequenzbereich von 400–4000 cm−1 abdeckt. Die Proben wurden mit KBr-Scheiben aufgetragen. Das Zetapotential und die hydrodynamische Partikelgröße wurden mit dem Nanozeta-Sizer (Malvern Instruments Ltd, Vereinigtes Königreich) untersucht. Das Verfahren zur Probenvorbereitung für Zetapotentialmessungen entsprach dem in unserer vorherigen Arbeit21 erläuterten Verfahren. Die Mikrostrukturen des hergestellten LDH wurden mittels hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM, JEOL, JEM-2100, Tokio, Japan) bestimmt.

Die Elektrode aus Glaskohlenstoff (GC) mit einer geometrischen Fläche von 0,031 cm2 (mit einem Durchmesser von 2 mm und runder Form) wurde gereinigt, bis sie spiegelglatt war, und dann vor der Verwendung mit destilliertem Wasser und Aceton gewaschen. Zur Herstellung der Arbeitselektrode wurden 5 mg des hergestellten Verbundwerkstoffs in einer Lösung dispergiert, die 400 μl Isopropanol und 50 μl Nafion enthielt (D-521-Dispersion, 5 % w/w in Wasser und 1-Propanol, ≥ 0,92 meq/g Austausch – Alfa Aesar), dann 30 Minuten lang bei Raumtemperatur (25 °C) mit einem leistungsstarken Ultraschall behandelt. 10 μL der vorbereiteten Lösung wurden mehrmals auf die aktive Fläche der GC-Elektrode getropft. Abschließend wurde die GC-Elektrode vor den elektrochemischen Tests bei 40 °C getrocknet10.

Elektrochemische Messungen wurden mit versaSTAT 3 von AMETEK durchgeführt, verbunden mit einem 3-Elektrodensystem mit einer Referenzelektrode (Ag/AgCl), einer Gegenelektrode (Pt-Draht) und einer Arbeitselektrode (GC-Elektrode, bedeckt von den vorbereiteten Proben). Es wurden verschiedene Methanolkonzentrationen von 0,5 bis 3 M, gelöst in einer Lösung von 1 M KOH, verwendet. Die zyklische Voltammetrie (CV) wurde über das Potentialfenster zwischen 0 und 0,6 V und mit einer Abtastrate von 50 mV/s gemessen. Die Stromdichten wurden basierend auf der tatsächlichen Geometrie der Oberfläche der Glaskohlenstoffelektrode (0,031 cm2) berechnet.

Die Röntgendiffraktogramme der Proben vor und nach der Adsorption sind in Abb. 2 dargestellt. Die so vorbereitete LDH-Probe (Abb. 2A) zeigte typische Peaks der geschichteten Doppelhydroxidphase. Die Reflexionspeaks bei 9,61°, 19,56°, 25,5°, 34,36°, 35,92°, 59,77°, 69,76° und 73,6° entsprechen den Ebenenfamilien (003), (006), (012), (009), (015). ), (110), (112) bzw. (201)22. Wie in Abb. 2B gezeigt, nahm die Intensität einiger Beugungspeaks für die so vorbereitete LDH-Probe nach der Adsorption (LDH/MO) ab. Dies könnte auf die Adsorption von MO auf der LDH-Oberfläche zurückzuführen sein, was zu einer Verringerung der Beugungsintensität bestimmter Ebenen führt. Die LDH/MO-Basisebene (2θ = 10,76°) entspricht einem Zwischenschichtabstand von (8,21 Å), der geringer ist als der des so hergestellten LDH (9,61 Å). Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass das MO auf den LDH-Schichten adsorbiert, aber nicht zwischen den Schichten interkaliert23. Es wird angenommen, dass die Adsorption des Farbstoffs an der Oberfläche dazu führt, dass die Schichten der LDH-Phase zusammengedrückt oder enger zusammengepackt werden, wodurch der Abstand zwischen den Schichten leicht abnimmt. Wenn andererseits der MO-Farbstoff in die Schichten eingelagert worden wäre, hätte sich der Abstand zwischen den Schichten vergrößern müssen, was bei der LDH-Probe nach der Adsorption nicht der Fall war.

XRD von LDH-Proben (A) vor und (B) nach der Adsorption von MO.

Wie auch in Abb. 2A gezeigt, wandelte sich die LDH-Phase nach der Kalzinierung in das entsprechende Mischmetalloxid (MMO) um, wobei sowohl Zinkoxid- (ZnO) als auch Zinkferrit-Phasen (ZnFe2O4) gebildet werden. Die Spitzen bei 31,8°, 34,5°, 47,6°, 56,6°, 62,9° und 68° entsprechen den Ebenen (100), (002), (102), (110), (103) und (112). ZnO bzw.24. Andererseits entsprechen die Peaks bei 30,4°, 36°, 43,3°, 57,6° und 63,2° den Ebenen (200), (311), (400), (511) und (440) von ZnFe2O4. jeweils25. Die Kalzinierung der verbrauchten Adsorptionsmittelproben führte zu keinen beobachtbaren Veränderungen im Röntgenbeugungsmuster im Vergleich zu den LDH-Proben vor der Adsorption, wie in Abb. 2B dargestellt.

„Tabelle 1 listet die Kristallitgrößen für die höchste Peakintensität bei 2θ = 35,96° für die vorbereiteten Nanokomposite auf, die nach der Deby-Sherrer-Formel26 berechnet wurden. Aus der Tabelle geht klar hervor, dass für die so vorbereitete LDH-Probe die Kristallitgröße von LDH ( 2,77 nm) ist kleiner als die von LDH/MO (4,59 nm). Ein ähnlicher Trend wurde für alle kalzinierten Proben beobachtet, wobei die Kristallitgröße bei den Proben nach der Adsorption im Vergleich zu denen vor der Adsorption leicht zunahm. Es kann angenommen werden, dass die Auf der Oberfläche der LDH-Phase adsorbierte Farbstoffmoleküle tragen geringfügig zur Erhaltung der Fernordnung der LDH- und MMO-Phase bei, die nach der Kalzinierung gebildet wird. Andererseits kommt es zu einer signifikanten Zunahme der Kristallitgröße nach der Adsorption für die kalzinierte Probe Es konnten 600 °C (19,82 nm) im Vergleich zu dem Wert vor der Adsorption (8,16 nm) beobachtet werden (siehe Tabelle 2). Dieser Anstieg kann auf die lokale Erwärmung zurückgeführt werden, die durch die thermische Oxidation der adsorbierten Farbstoffmoleküle bei solch hohen Temperaturen verursacht wird , was zu einer Verbesserung der Fernordnung der gebildeten MMO-Phase führen kann. Es ist offensichtlich, dass die Kristallitgröße der LDH- oder LDH/MO-Proben bei der Kalzinierung bei 200 °C im Vergleich zur Kalzinierung bei 600 °C am geringsten ist. Die Kristallitgröße des Elektrokatalysators hat einen starken Einfluss auf die Aktivität der Methanoloxidation.

Die FTIR-Spektren der LDH-Proben vor und nach der Adsorption von MO sind in Abb. 3 dargestellt. Wie in Abb. 3A gezeigt, könnte die Bande um 3442 cm-1 der charakteristischen freien OH-Streckung der LDH-Strukturschwingung zugeschrieben werden mit den Zwischenschicht-Wassermolekülen und Wasserstoffbrückenbindungen27. Andererseits ist die Bande bei 1629 cm−1 auf die Biegeschwingung der H2O-Wassermoleküle in der Zwischenschicht zurückzuführen28,29. Die Bande bei 1378 cm−1 wurde der ν3-Streckschwingung der Nitratgruppen in der Zwischenschicht von LDH30 zugeschrieben. Diese Bandenintensität nahm mit steigender Kalzinierungstemperatur aufgrund der Zersetzung von Nitraten in NO und/oder restlichem Carbonat in CO2 mit steigender Temperatur ab, wie bereits berichtet31,32. Unterhalb von 1000 cm−1 resultierte die beobachtete Bande aus den Metalloxidschwingungen (O–Me–O, Me–O, Me–O–Me) in den tonartigen Schichten33,34. Andererseits erschienen, wie in Abb. 3B gezeigt, nach der Adsorption von MO zwei neue Banden im Spektrum von LDH. Die erste Bande bei 1143 cm-1 ist auf die Biegeschwingungen der C-N-Funktionsgruppen von MO zurückzuführen, während die zweite Bande bei 1036 cm-1 auf die C-H-Biegeschwingungen des MO-Heterozyklus35 zurückzuführen ist.

FTIR von LDH-Proben (A) vor und (B) nach der Adsorption von MO.

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurde verwendet, um die Mikrostruktur der Synthese von LDH-Nanoblättern weiter zu beschreiben. Abbildung 4A zeigt das HRTEM-Bild der vorbereiteten LDH-Probe, das die hierarchischen und porösen, dicht gepackten Nanoblätter veranschaulicht und deutlich eine geschichtete LDH-Struktur zeigt. Aus dem Bild geht klar hervor, dass sich auf der Oberfläche der LDH-Nanoschichten keine beobachteten Nanocluster oder Nanopartikel befinden. Andererseits spiegelt das Muster der ausgewählten Flächenelektronenbeugung (SAED) die halbkristalline Natur der LDH-Phase aufgrund des Vorhandenseins konzentrischer Ringe wider, wie in den Einschüben von Abb. 4B dargestellt, außerdem ähnlich einer Platte, sechseckig und einheitliche Struktur in der Natur36. Abbildung 4C–H zeigt HRTEM-Bilder der Proben nach der Adsorption bei verschiedenen Kalzinierungstemperaturen. Abbildung 4C,D zeigt die bei 200 °C kalzinierte Probe. Die kalzinierte Probe hat sich in Plättchenpartikel verwandelt, die die perfekte Lamellenstruktur bestätigten und die 2D-Schichtmorphologie des Ausgangs-LDH bewahrten. Im Fall der bei 400 °C kalzinierten Probe (dargestellt in Abb. 4E,F) wurde beobachtet, dass die plättchenähnlichen LDH-Partikel verschwanden und Agglomerate auftraten. Die dunkleren Linien weisen auf das Vorhandensein von Aggregatkristalliten hin, die wahrscheinlich aus einer dichten Agglomeration von LDH-Partikeln entstanden sind. Durch Erhöhen der Kalzinierungstemperatur auf 600 °C (dargestellt in Abb. 4G,H) steigt die Kristallinität und Größe. Die Kristallinität der kalzinierten Proben war bei der bei 600 °C kalzinierten Probe deutlich verbessert, wie aus dem SAED-Muster im Einschub von Abb. 4H hervorgeht, was in guter Übereinstimmung mit den XRD-Ergebnissen steht. Daraus kann geschlossen werden, dass höhere Kalzinierungstemperaturen die Fernordnung der Atome begünstigen und dadurch die Kristallitgröße erhöhen, wie aus dem SAED-Muster und den XRD-Ergebnissen hervorgeht (wie in Tabelle 1 erläutert). Andererseits brechen höhere Temperaturen die so vorbereiteten Schichten in aggregierte Stücke. Ähnliche Ergebnisse wurden für die Kalzinierung von MgAl-LDH bei 500 °C berichtet, die sich im Vergleich zur ursprünglichen Schichtstruktur des Ausgangs-LDH in aggregierte „Nanoflocken“ oder Plättchen umwandelte37.

HRTEM-Bilder der so vorbereiteten LDH-Probe (A, B); HRTEM-Bilder der LDH-Probe nach der Adsorption bei verschiedenen Kalzinierungstemperaturen, 200 °C (C, D), 400 °C (E, F) und 600 °C (G, H). Einfügungen sind die entsprechenden SAED-Muster.

Das Zeta-Potenzial und die Partikelgröße der hergestellten LDHs bei verschiedenen Kalzinierungstemperaturen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Wie in Tabelle 2 gezeigt, nahm das Zeta-Potenzial mit zunehmender Kalzinierungstemperatur ab. Bei 200, 400 und 600 °C kalzinierte Proben zeigten ein Zetapotential von 27, 15 bzw. 5 mV. Dies kann anhand der im vorherigen Abschnitt erläuterten Änderung der Partikelmorphologie nach der Kalzinierung erklärt werden. Mit zunehmender Kalzinierungstemperatur verändern sich die Partikel von plättchenartig zu Agglomeraten und zu größeren Agglomeraten. Diese Änderung der Morphologie kann das Verhältnis von Oberflächenatomen zu Körperatomen verändern. Mit zunehmender Temperatur befinden sich mehr Atome in den gebildeten Partikeln, wodurch die Oberflächenatome abnehmen. Mit der Abnahme der Oberflächenatome nehmen die gesamten unausgeglichenen Ladungen auf den Oberflächenatomen ab, wodurch das Zetapotential abnimmt. Dies wird im folgenden schematischen Diagramm (Abb. 5) näher erläutert. Ähnliche Ergebnisse wurden von Li et al.38 für Cerdioxid-Oktaeder berichtet, bei denen die Kalzinierungstemperatur das Zetapotential der Proben verringerte.

Erklärung des Mechanismus der Abnahme des Zetapotentials mit der Kalzinierungstemperatur.

Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde das Zetapotential für die bei 200 °C kalzinierte Probe auf 27 mV geschätzt. Dieser Wert stieg bei der Probe nach Adsorptionskalzinierung bei derselben Temperatur leicht an. In ähnlicher Weise zeigte die bei 400 °C kalzinierte Probe einen leichten Anstieg von 15 mV vor der MO-Adsorption auf 18 mV für die Probe nach der Adsorption. Dagegen zeigte die bei 600 °C kalzinierte Probe ein anderes Verhalten. Vor der Adsorption betrug das geschätzte Zetapotential 5 mV, während es nach der Adsorption 14 mV betrug. Es scheint, dass dieses Verhalten mit den in Tabelle 1 gezeigten Kristallitgrößen zusammenhängen kann. Es kann davon ausgegangen werden, dass die aus dem XRD-Muster erkannte Fernordnung (wie zuvor diskutiert) in den Werten des Zetapotentials widergespiegelt werden kann. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Fernordnung die positive Ladung der Schichten in der MMO-Phase nach der Kalzinierung bewahren kann. Andererseits scheint eine kurzfristige Ordnung die Gesamtladung auf der Oberfläche der MMO-Schichten zu verringern. Dies liegt daran, dass amorphe (oder halbkristalline) Domänen auf der MMO-Schicht das von Oberflächenatomen ausgehende elektrische Feld verschlechtern und dadurch das Zetapotential verringern können. Aufgrund der amorphen Natur der Atomordnung kann die von einer dieser Domänen ausgehende elektrische Energie die der benachbarten oder nahegelegenen Felder aufheben oder verringern. Andererseits verstärkt die Fernordnung das elektrische Feld an den Oberflächenatomen und erhöht die Gesamtoberflächenladung.

Die hydrodynamische Partikelgröße ist in Tabelle 2 dargestellt. Mit der Abnahme des Zetapotentials nehmen die hydrodynamischen Größen zu, da die elektrostatische Abstoßung zwischen den Partikeln abnimmt, was zur Agglomeration führt. Bei den kalzinierten MMO-Proben entsprach die hydrodynamische Größenänderung jedoch nicht ausschließlich dem Effekt des Zetapotentials. Es scheint, dass andere Faktoren den Grad der Agglomeration beeinflussen, wie zum Beispiel die mögliche Verschmelzung und Klebrigkeit der Partikel, die aus der Kalzinierung der LDH-Schichten stammen, wie in den TEM-Bildern diskutiert.

Um die Wiederverwendung des verbrauchten Adsorptionsmittels zu untersuchen, wurde die Leistung der LDH/MO-Proben als Elektrokatalysator für die Methanoloxidation bei verschiedenen anfänglichen Methanolkonzentrationen getestet. Darüber hinaus wurden die Proben bei unterschiedlichen Kalzinierungstemperaturen kalziniert, wodurch die entsprechenden gemischten Metalloxide (MMO) entstanden, die ebenfalls untersucht wurden. Die Ergebnisse der Cyclovoltammetrie (CV) der vorbereiteten LDH-Proben vor und nach der Adsorption sind in Abb. 6 dargestellt. Die gemessenen Potentiale gegenüber Ag/AgCl wurden gemäß der Nernst-Gleichung in die Skala der reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE) umgerechnet:

Dabei ist ERHE das umgewandelte Potenzial gegenüber RHE, EAg/AgCl das experimentell gemessene Potenzial gegenüber der Ag/AgCl-Referenz und E°Ag/AgCl = 0,1976 bei 25 °C39. Elektrochemische Aktivitäten von LDHs wurden bei einem angelegten Potential von 0–0,6 V (gegen Ag/AgCl) in 1 M KOH aufgezeichnet.

Cyclovoltammetrie der vorbereiteten Proben (A) vor und (B) nach der MO-Adsorption für unterschiedliche Methanoloxidation bei einer Scanrate von 50 mV/S.

Die elektrochemische Aktivität von LDH (Abb. 6A) und LDH/MO (Abb. 6B) wurde in einem wässrigen Elektrolyten auf 1 M KOH bei verschiedenen Methanolkonzentrationen und einer Scanrate von 50 mV/s untersucht. Die Stromdichte am Ende des anodischen Peaks für LDH bei 0, 0,5, 1, 2 und 3 M Methanol betrug 24,33, 21,26, 28,8, 6,26 bzw. 10,68 mA/cm2. Die Stromdichte am Ende des anodischen Peaks für das verbrauchte LDH/MO-Adsorptionsmittel bei 0, 0,5, 1, 2 und 3 M Methanol betrug 27,30, 6,39, 31,15, 11,86 bzw. 11,88 mA/cm2. Diese interessante Steigerung der Stromdichte kann auf eine erfolgreiche Methanoloxidation zurückgeführt werden. Daher können mehr Elektronen erzeugt werden40. Darüber hinaus betrug die Stromdichte des Oxidationspeaks für LDH bei 0, 0,5, 1, 2 und 3 M Methanol 3,06, 4,92, 6,53, 2,91 bzw. 4,20 mA/cm2. Die Stromdichte des Oxidationspeaks für das verbrauchte LDH/MO-Adsorptionsmittel bei 0, 0,5, 1, 2 und 3 M Methanol beträgt 3,45, 2,51, 6,66, 4,65 bzw. 5,18 mA/cm2. Die Daten zeigen, dass die Stromdichte des LDH nach der Adsorption im Vergleich zu LDH vor der Adsorption bei einer Methanolkonzentration von 2 M fast um das Zweifache ansteigt. Eine Erhöhung der Methanolkonzentration führt aufgrund der Diffusionsphänomene und der Methanolkonzentration in der LDH-Schicht zu einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit, was zu einer besseren Oxidation von Methanol führt. Wenn die Methanolkonzentration jedoch niedrig ist, erreicht nicht genügend Methanol die LDH-Schicht, sodass es zu einem stärkeren Konzentrationsverlust kommt41.

Einige relevante Arbeiten von LDHs sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Aus dieser Tabelle geht hervor, dass die maximale Stromdichte nach Adsorption bei 3 M Methanol mit der in der offenen Literatur für Ni-Cr-LDH bei 60 mV/s und derselben Methanolkonzentration angegebenen vergleichbar ist. der einen Maximalwert von 7,02 mA/cm242 zeigte. Andererseits ist die gemessene maximale Stromdichte niedriger als die von Abdel-Hady et al.9 für die mit Methylenblau (MB) gesättigte verbrauchte Zn-Co-Fe-LDH berichtete. Die Autoren berichteten von einer maximalen Stromdichte von 2,29, 4,61, 11,97 und 12,61 mA/cm2 für 0, 0,5, 1, 2 bzw. 3 M Methanolkonzentration bei einer Abtastrate von 50 mV/s. Dies deutet darauf hin, dass die weitere Nanotechnik des verbrauchten Katalysators ein vielversprechender Weg ist, um seine Leistung bei der Methanoloxidation zu verbessern.

Eine der möglichen Strategien besteht darin, den verbrauchten Katalysator zu kalzinieren und seine Leistung bei verschiedenen Kalzinierungstemperaturen zu untersuchen. Diese Strategie wurde befolgt und die Ergebnisse für die Leistung der kalzinierten Proben werden unten diskutiert. Die CV-Ergebnisse von LDH-Proben vor und nach der Adsorption bei verschiedenen Kalzinierungstemperaturen (200, 400 und 600 °C) sind in den Abbildungen dargestellt. 7, 8, 9. Wie in Abb. 7 gezeigt, zeigte die nach der Adsorption bei 200 °C kalzinierte LDH-Probe, dass die Stromdichte am Ende des anodischen Peaks mit steigender Methanolkonzentration von 16,72 auf 21,23 mA/cm2 anstieg 0,0 bis 3 M. Andererseits ändern sich die Stromdichten der Oxidationspeaks von 5,98 auf 8,40 mA/cm2, wenn die Methanolkonzentration von 0,5 auf 3 M steigt. Wie in Abb. 8 gezeigt, für die bei 400 kalzinierte Probe Bei °C nach der Adsorption erhöhte sich die Stromdichte am Ende des anodischen Peaks von 5,32 auf 8,69 mA/cm2, während die Methanolkonzentration von 0,0 auf 3 M anstieg. Andererseits änderten sich die Stromdichten der Oxidationspeaks von 5,32 auf 8,69 mA/cm2 2,90 auf 4,19 mA/cm2, wenn die Methanolkonzentration von 0,5 auf 3 M anstieg. In ähnlicher Weise erhöhte sich, wie in Abb. 9 gezeigt, für die Probe, die nach der Adsorption bei 600 °C kalziniert wurde, die Stromdichte am Ende des anodischen Peaks von 3,04 auf 9,69 mA/cm2, wenn die Methanolkonzentration von 0,0 auf 3 M ansteigt. Andererseits ändern sich die Stromdichten der Oxidationspeaks von 3,43 auf 5,04 mA/cm2, wenn die Methanolkonzentration von 0,5 auf 3 M steigt.

Zyklische Voltammetrie von bei 200 °C kalzinierten Proben (A) vor und (B) nach der MO-Adsorption für unterschiedliche Methanoloxidation bei einer Scanrate von 50 mV/s.

Zyklische Voltammetrie von bei 400 °C kalzinierten Proben (A) vor und (B) nach der MO-Adsorption für unterschiedliche Methanoloxidation bei einer Scanrate von 50 mV/s.

Zyklische Voltammetrie von bei 600 °C kalzinierten Proben (A) vor und (B) nach der MO-Adsorption für unterschiedliche Methanoloxidation bei einer Scanrate von 50 mV/s.

Im Allgemeinen führte eine weitere Erhöhung der Kalzinierungstemperatur auf 400 und 600 °C zu keiner weiteren Verbesserung des Wertes der maximalen Stromdichte. Die entsprechende maximale Stromdichte, die für jede Probe bei jeder Methanolkonzentration erreicht wurde, ist in Abb. 10 zusammengefasst. Die Probe zeigte nach der Adsorption bei Kalzinierung bei 200 °C für alle Methanolkonzentrationen eine maximale Stromdichte, die etwa dem 1,00- bis 1,66-fachen der Probe vor der Adsorption entsprach . Die maximale Verstärkung erfolgte bei einer anfänglichen Methanolkonzentration von 1 M, was zu einer Stromdichte von 6,66 mA/cm2 führte. Andererseits wurde die maximale Stromdichte für die kalzinierte Probe nach der Adsorption bei 3 M Methanol mit einem Wert von 8,40 mA/cm2 beobachtet.

Zusammenfassung der aktuellen Dichte- und Faltungszunahmen zwischen vor der Adsorption (Hauptfarbe) und nach der Adsorption (feine gestrichelte Farbe) für alle vorbereiteten Proben.

Abbildung 11 zeigt die Beziehung zwischen der anodischen Spitzenstromdichte und der Quadratwurzel der Scanraten (10–100 mV/s) für LDH vor und nach der Adsorption für LDH ohne Kalzinierung und die bei 200 °C unter optimalen Bedingungen kalzinierte Probe. Aus der Abbildung wird deutlich, dass es sich um einen linearen Zusammenhang handelt, was darauf hindeutet, dass es sich bei der elektrokatalytischen Oxidation von Methanol um einen diffusionskontrollierten Prozess handelt50. Eine Änderung der Scanrate führt zu einer Zunahme der Redoxreaktionen, wie in Abb. 11 dargestellt, und der elektrochemische Prozess wird durch die Ausbreitung von OH in den Mesoporen gesteuert. Tabelle 4 zeigt die Steigung und den Korrelationskoeffizienten für die anodischen Stromdichten (Ia) der Proben. Die Probe, die nach der Adsorption bei 200 °C kalziniert wurde, weist eine größere Liniensteigung auf als die anderen Proben. Dieser Steigungsunterschied ist das Ergebnis der unterschiedlichen elektrokatalytischen Fähigkeiten und zeigt das höhere Niveau der elektrochemischen Aktivität.

Die Beziehung zwischen der Spitzenstromdichte und der Quadratwurzel der Scanraten vor und nach der Adsorption für (A) LDH ohne Kalzinierung und (B) Probe, kalziniert bei 200 °C unter optimalen Bedingungen.

Die Daten besagen, dass das LDH nach der Adsorption bei einer Methanolkonzentration von 2 M im Vergleich zu LDH vor der Adsorption einen nahezu zweifachen Anstieg der Stromdichte aufweist. Die Steigerung der Aktivität der MO-adsorbierten Probe könnte auf die positive Wechselwirkung zwischen den Farbstoffmolekülen und Methanol zurückzuführen sein. Eine solche Wechselwirkung könnte die Diffusion von Methanolmolekülen aus der Masse der Lösung zu den LDH-Schichten erleichtern, wo die aktiven Übergangsmetall-Oktaederzentren vorhanden sind. Wie bereits erwähnt (in Abb. 11), ist der Methanoloxidationsprozess an den Proben ein diffusionskontrollierter Prozess und die Unterstützung des Massentransfers von Methanolmolekülen kann sich positiv auf die Verbesserung der gemessenen elektrochemischen Aktivität auswirken. Abbildung 12 zeigt die maximalen Stromdichten, die für die kalzinierten Proben erhalten wurden, im Vergleich zu den Kristallitgrößen. Wie in Abb. 12A dargestellt, wurden im Allgemeinen höhere Aktivitäten für Proben mit den geringsten Kristallitgrößen aufgezeichnet. Ein ähnlicher Trend wurde für die Proben nach der Adsorption beobachtet (Abb. 12B).

Die für die kalzinierten Proben erhaltenen maximalen Stromdichten im Vergleich zu den Kristallitgrößen für die Proben (A) vor und (B) nach der MO-Adsorption.

Abbildung 13 zeigt die maximalen Stromdichten, die für die kalzinierten Proben erhalten wurden, im Vergleich zum Zetapotential. Daraus lässt sich schließen, dass im Allgemeinen höhere Aktivitäten für Proben mit dem höchsten Zeta-Potenzial erzielt wurden, entweder vor oder nach der Adsorption, wie in Abb. 13A bzw. B dargestellt. Es lässt sich aus den Abbildungen ableiten. 12 und 13, dass sowohl die Kristallitgröße als auch das Zetapotential eine wesentliche Rolle für den Wert der gemessenen Aktivität spielen. Es wurde gezeigt, dass der Methanol-Oxidationsprozess ein diffusionskontrollierter Prozess ist (wie zuvor diskutiert), daher könnten kleine Kristallitgrößen einen leichteren Zugang von Methanolmolekülen zu den katalytischen Stellen auf der MMO-Schichtoberfläche begünstigen. Darüber hinaus würde ein positives Zetapotential für das Anodenmaterial die Oxidation des Methanolmoleküls erleichtern und gleichzeitig die Elektronen an die Gegenelektrode verlieren. Allerdings ist die Beschreibung des genauen Mechanismus der Methanol-Elektrooxidation über der Oberfläche des kalzinierten MMO eine anspruchsvolle Aufgabe. Wang et al.51 diskutierten den Mechanismus der Methanol-Elektrooxidation über NiAl-LDH-Filmen und diskutierten die komplizierte Natur des Oxidationsmechanismus. Wang et al. unterstützten den Oxyhydroxid-Mechanismus, bei dem Ni-Hydroxid in den LDH-Schichten in NiOOH-Spezies umgewandelt wird, die eine wichtige Rolle bei der Methanoloxidation spielen. Die vorbereiteten Proben enthalten Ni-, Co-, Zn- und Fe-Hydroxide, die bei den in dieser Studie gemessenen Aktivitäten zur Methanoloxidation möglicherweise unterschiedliche Rollen spielen. Darüber hinaus könnten die Kohlenstoffatome, die nach der Kalzinierung der Proben, die in einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird, entstehen, eine Rolle bei der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des Elektrodenmaterials und seiner Wechselwirkung mit Methanolmolekülen spielen. Alle diese Faktoren können unterschiedlich bedeutsam zur gemessenen Aktivität der Proben vor und nach der Adsorption beitragen. Ein genauer Mechanismus, der die detaillierten primären Reaktionsschritte für die Methanoloxidation in der Probe beschreibt, wird als umstrittenes Thema angesehen, dessen Bestätigung möglicherweise weitere detaillierte Studien erfordert.

Die für die kalzinierten Proben erhaltenen maximalen Stromdichten im Vergleich zum Zetapotential für die Proben (A) vor und (B) nach der MO-Adsorption.

Darüber hinaus wurde Chronoamperometrie verwendet, um die elektrokatalytische Aktivität und Stabilität der Proben in 1 M KOH weiter zu bewerten. Die Stromdichtekurven über der Zeit wurden bei einem Potentialschritt von 600 mV für 7000 s gemessen, wie in Abb. 14 dargestellt. Zunächst nahmen die Stromdichten der LDHs vor und nach der Adsorption aufgrund des Doppelschichtbeitrags schnell ab und nahmen dann langsam ab im Laufe der Zeit, was auf die Bildung der kohlenstoffhaltigen Zwischenprodukte COads an oberflächenaktiven Stellen zurückzuführen ist52. Alle Proben zeigen eine angemessene Stabilität über die Zeit, wobei die Stromdichte der Proben mit zunehmender Reaktionszeit nicht abnahm, was auf eine gute elektrokatalytische Stabilität hinweist.

Chronoamperometrische Reaktion von (A) LDH ohne Kalzinierung und (B) Probe kalziniert bei 200 °C unter optimalen Bedingungen.

In dieser Arbeit wurde mit einer einfachen Kopräzipitationstechnik erfolgreich Co- und Ni-doppelt substituiertes Zn-Fe-LDH-Schichtdoppelhydroxid hergestellt. Die Probe wurde als Abwasser-Nanoadsorbens für die MO-Adsorption verwendet. Das verbrauchte Adsorptionsmittel wurde erfolgreich als Methanol-Elektrooxidationskatalysator wiederverwendet, wobei die Ergebnisse eine Leistungssteigerung im Vergleich zu den frisch hergestellten Proben ohne Adsorption zeigten. Darüber hinaus wurden die Proben bei 200, 400 und 600 °C kalziniert, um die entsprechenden gemischten Metalloxide zu ergeben. Die Ergebnisse der zyklischen Voltammetrie zeigen, dass die Proben im Allgemeinen ihre Leistung nach der Adsorption für verschiedene Methanolkonzentrationen beibehielten, was durch die Werte der maximalen Stromdichte angezeigt wird. Proben mit maximaler Leistungssteigerung zeigten im Laufe der Zeit eine stabile Leistung, wie chronoamperometrische Messungen zeigten. Diese Studie ebnet den Weg für die Aufwertung verbrauchter Nanoadsorbentien für verschiedene wichtige technologische Anwendungen wie Direktalkohol-Brennstoffzellen. Daher kann die weitere Nanotechnik verbrauchter Nanoadsorbentien ein vielversprechender Weg zur Wiederverwendung dieser Abfälle als vielversprechende Elektrooxidationskatalysatoren sein.

Lo Faro, M., Antonucci, V., Antonucci, PL & Aricò, AS Brennstoffflexibilität: Eine zentrale Herausforderung für die SOFC-Technologie. Kraftstoff 102, 554–559 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Eisa, T. et al. Nickel-Nanostäbe über Nickelschaum als eigenständige Anode für direkt alkalische Methanol- und Ethanol-Brennstoffzellen. Int. J. Hydrog. Energie 45, 5948–5959 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Khouchaf, A., Takky, D., Chbihi, MEM & Benmokhtar, S. Elektrokatalytische Oxidation von Methanol an einer glasartigen Kohlenstoffelektrode, modifiziert durch in einem Polyanilinfilm dispergierte Metallionen (Kupfer und Nickel). J. Mater. Wissenschaft. Chem. Ing. 4, 97–105 (2016).

CAS Google Scholar

Abdel-Hady, EE et al. Synthese und Charakterisierung von NiCoPt/CNFs-Nanopartikeln als wirksamer Elektrokatalysator für Energieanwendungen. Nanomaterialien 12, 492-1–492-20 (2022).

Artikel Google Scholar

Mohamed, HFM et al. Ein vielversprechender Brennstoffzellenkatalysator mit unedlem Metalloxid. Mater. Wissenschaft. Ing. 464, 012002-1–012002-11 (2018).

Google Scholar

Anantharaj, S., Karthick, K. & Kundu, S. Entwicklung von geschichteten Doppelhydroxiden (LDH) als leistungsstarke Elektrokatalysatoren für die Wasseroxidation: Ein Überblick mit Einblicken in Struktur, Aktivität und Mechanismus. Mater. Today Energy 6, 1–26 (2017).

Artikel Google Scholar

Raza, A. et al. Fortschritte bei Flüssigphasen- und Interkalations-Peelings von Übergangsmetalldichalkogeniden zur Erzeugung eines 2D-Gerüsts. Adv. Mater. Schnittstellen 8, 2002205-1–2002205-46 (2021).

Artikel Google Scholar

Das, AK, Pan, UN, Sharma, V., Kim, N. & Lee, JH Nanostrukturierter CeO2/NiV-LDH-Verbundstoff zur Energiespeicherung in asymmetrischen Superkondensatoren und als Elektrokatalysator für die Methanoloxidation. Chem. Ing. J. 417, 128019-1–128019-13 (2012).

Google Scholar

Abdel-Hady, EE, Mahmoud, R., Hafez, SH & Mohamed, HFM Hierarchisches ternäres ZnCoFe-Schichtdoppelhydroxid als effizientes Adsorptionsmittel und Katalysator für die Methanol-Elektrooxidation. J. Markt. Res. 17, 1922–1941 (2022).

CAS Google Scholar

Gil, A. Umweltnanotechnologie, Herausforderungen bei der Umwandlung von Abfällen in Energie für die Verwertung von Industrieabfällen: Strom, Wärme und Kälte, Bioflüssigkeiten und Biokraftstoffe. Überwachen. Geschäftsführer 17, 100615-1–100615-11 (2017).

Google Scholar

Maina, S., Kachrimanidou, V. & Koutinas, A. Ein Fahrplan für eine zirkuläre und nachhaltige Bioökonomie durch Abfallverwertung. Curr. Meinung. Grüne Nachhaltigkeit. Chem. 8, 18–23 (2017).

Artikel Google Scholar

Ahmad, SOA et al. Neuartige prismenförmige C3N4-dotierte Fe@Co3O4-Nanokomposite und ihr Farbstoffabbau und ihr bakterizides Potenzial mit molekularer Docking-Studie. RSC Adv. 11, 23330–23344 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Aqeel, M. et al. Mit Zr und Ag kodotiertes TiO2 zeigt ein hocheffizientes photokatalytisches Verhalten mit sichtbarem Licht, das für die Behandlung von verschmutztem Wasser geeignet ist. RSC Adv. 10, 42235–42248 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rial, JB & Ferreira, ML Mögliche Anwendungen verbrauchter Adsorptionsmittel und Katalysatoren: Wiederverwertung von Abfällen. Wissenschaft. Gesamtumgebung. 823, 153370-1–153370-13 (2022).

Artikel ADS Google Scholar

Moustafa, D., Mahmoud, R., El-Salam, HMA & Shehata, N. Nutzung von restlichem Zink-Eisen-Doppelhydroxid nach Methylorangenmanagement als neues Sorptionsmittel für die Abwasserbehandlung. Appl. Nanowissenschaften. 11, 709–723 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mahmoud, RK, Taha, M., Zaher, A. & Amin, RM Verständnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Zn-Fe-LDH-Nanostruktur als Sorptionsmaterial zur Entfernung von anionischen und kationischen Farbstoffmischungen. Wissenschaft. Rep. 11, 21365-1–21365-19 (2021).

Artikel ADS Google Scholar

Bajaj, NS & Joshi, RA Energiematerialien: Synthese- und Charakterisierungstechniken. In Energy Materials Fundamentals to Applications (Hrsg. Dhoble, SJ et al.) 61–82 (Elsevier, 2021).

Google Scholar

Romao, CP, Miller, KJ, Whitman, CA, White, MA und Marinkovic, BA Materialien mit negativer Wärmeausdehnung (Thermomiotik). In Comprehensive Inorganic Chemistry II 127–151 (Elsevier, 2013).

Kapitel Google Scholar

Leroy, P., Devau, N., Revil, A. & Bizi, M. Einfluss der Oberflächenleitfähigkeit auf das scheinbare Zetapotential amorpher Silica-Nanopartikel. J. Colloid Interface Sci. 410, 81–93 (2013).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Elnaggar, M., Emam, H., Fathalla, M., Abdel-Aziz, M. & Zahran, M. Chemische Synthese von Silbernanopartikeln im festen Zustand: Hocheffiziente antimikrobielle Baumwollstoffe für wundheilende Eigenschaften, Ägypten. J. Chem. 64, 2697–2709 (2021).

Google Scholar

Sayed, H., Mahmoud, R., Mohamed, HFM, Gaber, Y. & Shehata, N. Co- und Ni-doppelt substituiertes Zn-Fe-Schichtdoppelhydroxid als 2D-Nanoadsorbens für die Abwasserbehandlung. Schlüssel-Ing. Mater. 922, 193–213 (2022).

Artikel Google Scholar

Zaher, A., Taha, M. & Mahmoud, RK Mögliche Adsorptionsmechanismen der Entfernung von Tetracyclin aus Wasser durch La-dotiertes Zn-Fe-schichtiges Doppelhydroxid. J. Mol. Flüssigkeiten 322, 114546-1–114546-13 (2021).

Artikel Google Scholar

El-Ela, FIA, Farghali, AA, Mahmoud, RK, Mohamed, NA & Moaty, SA Neuer Ansatz zur Ulkusprävention und Wundheilungsbehandlung mit Doxycyclin und Amoxicillin/LDH-Nanokompositen. Wissenschaft. Rep. 9L, 6418-1–6418-15 (2019).

ADS Google Scholar

El-Shahawy, AA et al. Prostatakrebs-Zellaufnahme von Nanokomposit aus ternären Titanat-Nanoröhren/CuFe2O4/Zn-Fe-Mischmetalloxiden. Int. J. Nanomed. 15, 619–631 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

He, Y. et al. Herstellung ultrafeiner ZnFe2O4-Nanopartikel, die auf einem stickstoffdotierten Kohlenstoff-Nanofaser-Verbundwerkstoff dekoriert sind, für einen effizienten Adsorptions-/Elektrokatalyseeffekt von Lithium-Schwefel-Batterien. Elektrochim. Acta 394, 139126-1–139126-9 (2021).

Artikel Google Scholar

Valério, A., Morelhao, SL Verwendung der Scherrer-Formel in der Röntgenbeugungsanalyse der Größenverteilung in Systemen monokristalliner Nanopartikel. https://arxiv.org/abs/1911.00701, 1–9 (2019).‏

Lu, H. et al. Verbesserte Adsorptionsleistung von mit Asparaginsäure interkalierten Mg-Zn-Fe-LDH-Materialien für Arsenit. Dalton Trans. 47, 4994–5004 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Gilanizadeh, M. & Zeynizadeh, B. Synthese und Charakterisierung des immobilisierten Ni-Zn-Fe-Schichtdoppelhydroxids (LDH) auf silikabeschichtetem Magnetit als mesoporöser und magnetisch wiederverwendbarer Katalysator für die Herstellung von Benzylidenmalononitrilen und Bisdimedonen (Tetraketonen) unter Grün Bedingungen. Neue J. Chem. 42, 8553–8566 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Gupta, NK, Saifuddin, M., Kim, S. & Kim, KS Mikroskopischer, spektroskopischer und experimenteller Ansatz zum Verständnis der Phosphatadsorption auf Zn-Fe-schichtigem Doppelhydroxid. J. Mol. Flüssigkeiten 297, 11193501–11193501-10 (2020).

Artikel Google Scholar

Abdel Moaty, SA et al. Synthese und Charakterisierung anionischer Nanomaterialien vom LDH-Typ zur wirksamen Entfernung von Doxycyclin aus wässrigen Medien. Wasserumgebung. J. 34, 290–308 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Colonna, S., Bastianini, M., Sisani, M. & Fina, A. CO2-Adsorptions- und Desorptionseigenschaften von kalzinierten geschichteten Doppelhydroxiden. J. Therm. Anal. Kalorien. 133, 869–879 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Elhalil, A. et al. Auswirkungen des Molverhältnisses und der Kalzinierungstemperatur auf die Adsorptionsleistung von Zn/Al-geschichteten Doppelhydroxid-Nanopartikeln bei der Entfernung pharmazeutischer Schadstoffe. J. Sci. Adv. Mater. Geräte 3, 188–195 (2018).

Artikel Google Scholar

Asif, SAB, Khan, SB & Asiri, AM Effizienter Solarphotokatalysator auf Basis von Kobaltoxid/Eisenoxid-Verbundnanofasern zur Entgiftung organischer Schadstoffe. Nanoskalige Res. Lette. 9, 510-1–510-9 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Naseem, S., Gevers, B., Boldt, R., Labuschagné, FJW & Leuteritz, A. Vergleich von Übergangsmetallen (Fe Co, Ni, Cu und Zn), die dreimetallische geschichtete Doppelhydroxide (LDHs) enthalten, hergestellt von Harnstoffhydrolyse. RSC Adv. 9, 3030–3040 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ovchinnikov, OV et al. Manifestation intermolekularer Wechselwirkungen in FTIR-Spektren von Methylenblau-Molekülen. Vib. Spektroskopie 86, 181–189 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Abo El-Reesh, GY, Farghali, AA, Taha, M. & Mahmoud, RK Neuartige Synthese von Ni/Fe-Schichtdoppelhydroxiden unter Verwendung von Harnstoff und Glycerin und deren verbessertes Adsorptionsverhalten zur Cr(VI)-Entfernung. Wissenschaft. Rep. 10, 587-1–587-20 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Yan, Z., Zhu, B., Yu, J. & Xu, Z. Einfluss der Kalzinierung auf die Adsorptionsleistung von Mg-Al-Schichtdoppelhydroxid, hergestellt durch ein Wasser-in-Öl-Mikroemulsionsverfahren. RSC Adv. 6(55), 50128–50137 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Li, Y. et al. Ändern der Kalzinierungstemperatur zur Abstimmung der Mikrostruktur und Poliereigenschaften von Ceroxid-Oktaedern. RSC Adv. 12(26), 16554–16560 (2022).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, L., Lee, CY & Schmuki, P. Solare Wasserspaltung: Bewahrung der vorteilhaften kleinen Strukturgröße in porösen α-Fe 2 O 3-Photoelektroden während des Temperns. J. Mater. Chem. A 1(2), 212–215 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Mohamed, IM et al. Elektrokatalytisches Verhalten eines Nanokomposits aus Ni/Pd, das von karbonisierten PVA-Nanofasern getragen wird, gegenüber Ameisensäure-, Ethanol- und Harnstoffoxidation: Eine physikalisch-chemische und elektroanalytische Studie. Appl. Surfen. Wissenschaft. 435, 122–129 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Heysiattalab, S., Shakeri, M., Safari, M. & Keikha, MM Untersuchung der Schlüsselparameter, die die Leistung von Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen (DEFC) beeinflussen. J. Ind. Eng. Chem. 17, 727–729 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Gamil, S., El Rouby, WM, Antuch, M. & Zedan, IT Nanohybride geschichtete Doppelhydroxidmaterialien als effiziente Katalysatoren für die Methanol-Elektrooxidation. RSC Adv. 9, 13503–13514 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, H. et al. Konstruktion eines hochaktiven Pt/Ni-Fe-Schicht-Doppelhydroxid-Elektrokatalysators für die Methanoloxidation in alkalischem Medium. Int. J. Elektrochem. Sci 14, 7961–7972 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Xu, C., Kang Shen, P. & Liu, Y. Ethanol-Elektrooxidation an Pt/C- und Pd/C-Katalysatoren, gefördert mit Oxid. J. Power Sources 164(2), 527–531 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wei, Q. et al. 3D-poröse kugelförmige Fe/N/C-Nanostrukturen als Hochleistungselektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktion in alkalischen und sauren Medien. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 9(42), 36944–36954 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jasim, AM, Hoff, SE & Elektrochim. Acta 261, 221–226 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Daşdelen, Z., Yıldız, Y., Eriş, S. & Şen, F. Verbesserte elektrokatalytische Aktivität und Haltbarkeit von Pt-Nanopartikeln, die auf GO-PVP-Hybridmaterial für die Methanoloxidationsreaktion dekoriert sind. Appl. Katal. B 219, 511–516 (2017).

Artikel Google Scholar

Ruiz-Camacho, B., Medina-Ramírez, A., Fuentes-Ramírez, R. & Gómez, CM Einfache Synthese von Pt-Ag/SnO2-C zur Verwendung als Katalysator der Methanoloxidation in alkalischen Medien. J. Festkörperelektrochem. 21(8), 2449–2456 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Baruah, B. & Kumar, A. Elektrokatalytische Aktivität von rGO/PEDOT: PSS-Nanokomposit gegenüber Methanoloxidatin in alkalischen Medien. Electroanalysis 30(9), 2131–2144 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Raoof, JB, Hosseini, SR & Rezaee, S. Herstellung eines Pt/Poly(2-Methoxyanilin)-Natriumdodecylsulfat-Komposits und seine Anwendung für die elektrokatalytische Oxidation von Methanol und Formaldehyd. Elektrochim. Acta 141, 340–348 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, Y., Zhang, D., Peng, W., Liu, L. & Li, M. Elektrokatalytische Oxidation von Methanol an einer mit einem Ni-Al-Schicht-Doppelhydroxidfilm modifizierten Elektrode in alkalischem Medium. Elektrochim. Acta 56(16), 5754–5758 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Gao, Y. et al. Teilweise reduziertes Ni2+, Fe3+-schichtiges Doppelhydroxid für die Ethanol-Elektrokatalyse. J. Mater. Wissenschaft. 54, 14515–14523 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

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Reha Mahmoud

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Hamdy FM Mohamed, Sarah HM Hafez und EE Abdel-Hady

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Yasser M. Gadelhak

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Korrespondenz mit Rehab Mahmoud.

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Mahmoud, R., Mohamed, HFM, Hafez, SHM et al. Aufwertung des verbrauchten doppelt substituierten Co-Ni-Zn-Fe-LDH-Abwasser-Nanoadsorbens als Methanol-Elektrooxidationskatalysator. Sci Rep 12, 19354 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23798-2

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Eingegangen: 03. August 2022

Angenommen: 05. November 2022

Veröffentlicht: 11. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23798-2

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