Facile sintesi del PEG

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Jul 19, 2023

Facile sintesi del PEG

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 13249 (2023) Cita questo articolo 1545 Accessi Dettagli metriche La cella a combustibile a metanolo diretto (DMFC) ha mostrato un'eccellente crescita come candidato alternativo per

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Le celle a combustibile a metanolo diretto (DMFC) hanno mostrato un’eccellente crescita come candidato alternativo per le fonti energetiche in sostituzione dei combustibili fossili. Tuttavia, lo sviluppo di catalizzatori economici ed estremamente durevoli con un metodo di sintesi semplice è ancora impegnativo. In questa prospettiva, viene utilizzata una strategia facile per la preparazione di un catalizzatore idrofilo di nanoparticelle Fe-Pt tramite un percorso di polietilenglicole-glicerolo per sfruttare i vantaggi delle superfici nanostrutturate. Gli elettrocatalizzatori sintetizzati sono caratterizzati da XRD, XPS, TEM, EDS e FTIR per confermarne struttura, morfologia, composizione e funzionalizzazione superficiale. Le prestazioni dei catalizzatori nei confronti della reazione di ossidazione del metanolo (MOR) sono state studiate mediante voltammetria ciclica e cronoamperometria sia in mezzi acidi che alcalini. Il catalizzatore bimetallico Fe-Pt mostra una migliore densità di corrente di 36,36 mA cm−2 in mezzo acido che in mezzo alcalino (12,52 mA cm−2). Tuttavia, l'elevato rapporto If/Ib di 1,9 nel mezzo alcalino indica una migliore capacità di pulizia/rigenerazione della superficie del catalizzatore. Inoltre, il catalizzatore possedeva una stabilità ciclica superiore pari a circa l'80% nell'elettrolita alcalino, ovvero 1,6 volte superiore rispetto a quello acido. La migliore stabilità e capacità di tolleranza all'avvelenamento del catalizzatore nei mezzi alcalini è attribuita agli ioni OH− forniti dall'elettrolita che interagiscono con le specie metalliche per formare M- (OH)x e rilasciano in modo reversibile OH− e rigenerano la superficie metallica per ulteriori reazioni di ossidazione . Ma il sinergismo fornito da Fe e Pt conferisce una migliore attività nell'elettrolita acido poiché il Pt è un catalizzatore favorevole per la deidrogenazione del metanolo in mezzo acido. Questo studio sarà utile per la progettazione di elettrocatalizzatori anodici per MOR.

Negli ultimi decenni, le celle a combustibile (FC) sono diventate una fonte alternativa di energia verde a causa dell’esaurimento dei combustibili fossili e dell’aumento dell’inquinamento. Tra i diversi FC a base alcolica, è stato condotto uno studio approfondito sul DMFC per le sue proprietà quali elevata densità di energia (6,1 kWh kg−1), bassa emissione di inquinanti, bassa temperatura operativa, migliore gestione e lavorazione del carburante, ecc.1,2 ,3. Ha ampie applicazioni nel campo dell'elettronica, dei dispositivi portatili, delle automobili e dei trasporti4,5.

L'elettrocatalizzatore è il componente principale delle celle a combustibile e può anche rappresentare un ostacolo negli sforzi volti a rendere la tecnologia delle celle a combustibile più fattibile dal punto di vista commerciale. Il metallo puro non riesce a essere un forte catalizzatore per il funzionamento degli FC alcolici a temperatura ambiente perché viene facilmente avvelenato dall'adsorbimento degli intermedi di monossido di carbonio (CO). Tra i catalizzatori metallici, il Pt è considerato il catalizzatore più produttivo grazie alla sua elevata attività verso la rottura dei legami O–H e C–H presenti nelle molecole di alcol. Ma la cinetica lenta, il costo elevato e la scarsa abbondanza di Pt ne ostacolano l'applicazione a livello commerciale6,7. Inoltre, deve affrontare problemi di autoinibizione o avvelenamento del catalizzatore. L'intermedio CO è fortemente adsorbito e legato linearmente con Pt, il che porta all'autoavvelenamento dell'elettrocatalizzatore Pt. Pertanto, non può verificarsi un ulteriore adsorbimento del metanolo sul Pt avvelenato e l’ossidazione del metanolo scende al livello minimo8,9. Quindi, per ridurre questo effetto di avvelenamento, sono necessarie leghe di Pt con secondi metalli ossofili come Fe, Ru, Rh, Mo, Sn, Co ecc.7,10,11,12,13. L'effetto bifunzionale fornito da questo materiale legato aiuta a facilitare l'adsorbimento dei gruppi idrossilici (OH−) a potenziale più negativo e catalizza l'elettroossidazione della CO adsorbita riducendo così l'effetto avvelenato sul catalizzatore. Inoltre, l'aggiunta del secondo metallo determina un'interazione di scambio elettronico con Pt e rende la superficie del Pt meno influenzata dalle specie intermedie14,15.

Le leghe bimetalliche a base di Pt come PtX (X: Mo, Sn, Co, Ni, Ru, Cu, Fe ecc.) mostrano una migliore attività catalitica nei confronti dell'ossidazione del metanolo10,11,12,13. Tuttavia, presentano dei limiti nell'applicazione pratica del DMFC a causa della bassa durabilità derivante dalla dissoluzione del metallo di transizione durante le condizioni operative reali e della scarsa stabilità chimica16,17. Tra tutti i catalizzatori bimetallici, il FePt si presenta come candidato alternativo per la reazione di ossidazione del metanolo (MOR) perché è più economico del Pt, abbondante, buon conduttore elettrico e meno tossico in natura18,19. Formano principalmente tre strutture; uno è il cubo disordinato a facce centrate noto anche come fase A1 in cui gli atomi di Fe e Pt sono distribuiti casualmente in \(\left( {0,0,0} \right), \left( {1/2,1/2, 0} \right), \left( {1/2,0, 1/2} \right)\) \({\text{and}} \left( {0, 1/2,1/2} \right )\) siti cristallografici20,21,22. Gli altri due hanno una struttura intermetallica ordinata come FePt3/Fe3Pt e FePt. Nella struttura ordinata del FePt, cioè nella fase L10 tetragonale (fct) centrata sulla faccia, si formano strati alternati di atomi di Fe e Pt in cui Pt occupa i siti in \(\left( {0,0,0} \right) {\text{e }} \left( {1/2,1/2,0} \right)\), e Fe occupa (1/2, 0, 1/2) \({\text{and}} \left( {0 , 1/2,1/2} \right)\) 23,24. Nella struttura A1, il Fe è difficile da stabilizzare per la reazione di elettroossidazione, mentre nella fase L10, avendo un'elevata anisotropia magneto-cristallina uniassiale, mostra una migliore stabilità chimica25,26,27.

 CoPt > NiPt > Pt31. The result was supported by Wang et al. through their experimental analysis where they obtained mass activity of FePt (1610 mA/mg of Pt) which is 12 times higher than commercial Pt/C catalyst32. Hence, addition of second metals to the traditional catalyst (Pt) can be an efficient strategy to enhance oxidation of methanol. Furthermore, controlling the size, structure and dispersibility of NP in the catalyst preparation process is critical because these parameters are strongly related to the number of active sites on the surface of catalysts. Recently, many research groups have succeeded in improving these properties of catalysts. For example, alloy of Pd e.g., PdM (M = Ni, Co, Cu) and composite with reduced graphene oxide catalyst (rGO) exhibited high electrochemical activity and stability33. The transition metal improved the dispersibility of PdM NPs on rGO surface by changing the shape, size, and electronic structure of Pd NPs34./p> FePtwithout PEG > bare Pt. It can be explained as the PEG acts as protective agent and stabilizes the NPs to prevent agglomeration during synthesis process. It helps in the reduction of particle size thereby producing uniform NPs. Due to the high specific surface area of the tiny NPs, when exposed to reactant (in this case methanol) trigger the reaction and enhances the oxidation process. Further, the utilization of both PEG and glycerol soluble alcohols increases the hydrophilicity of FePt catalyst validated by the contact angle measurement which enhances the performance of the catalyst. In addition, onset potential is considered as an important parameter on which activity of the catalyst lies. Low onset potential with high current density is a characteristic property of a good catalyst. As observed from Fig. 5, the oxidation of methanol occurs at the onset potential of 0.33 V and −0.46 V in acidic and alkaline media respectively, which signify FePt NPs is a better catalyst than pure Pt which has the onset potential of ~ 0.45 V and − 0.48 V (from Fig. 5c,d) in respective medium. Better catalytic activity of alloy as compare to the pure metal is mainly due to the bifunctional effect and electronic exchange interaction between Fe and Pt as supported with the XPS data. Here, a significant oxidation peak is observed in an anodic sweep at ~ 0.671 V for acidic and ~  − 0.193 V at 50 mV s−1 for alkaline media in the presence of methanol and the peak current corresponding to that is represented by If. In the backward sweep, there is a peak at ~ 0.49 V and − 0.24 V in the acidic and alkaline electrolyte, which arises due to the removal of intermediate carbonaceous species. The corresponding peak current is called backward current and is denoted by Ib. From Fig. 5, acidic environment is found to be superior for FePt catalyst in terms of higher anodic oxidation current. The higher current response refers that large area of the catalyst are accessible to electrolyte. Fig. S3 shows that the PEG-Glycerol mediated FePt bimetallic catalyst exhibited excellent performance in both acid and alkaline media as compared to bare Pt and FePt NPs./p>