Influence of conditions for modification of oxidized carbon nanotubes on the catalytic activity and selectivity in the oxygen reduction reaction to hydrogen peroxide

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Catalysts of cathodic hydrogen peroxide synthesis were obtained from pre–oxidized with nitric acid multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs), followed by hydrogen reduction in a temperature range of 300–500°C. Evaluation of physico–chemical properties of catalysts reveals the synthesis method used allowed for controlled changes composition of oxygen groups on surface without change of MWCNTs structure and morphology. Investigation of catalytic activity in cathodic process for production of hydrogen peroxide demonstrated the sample prepared by hydrogen reduction at 300°C with oxygen content of 5.2 at. % (based on XPS data) had the highest efficiency. The sample produced hydrogen peroxide with rate of 0.34 mol/(g·h) and Faradaic efficiency of 78%. Increase in reduction temperature more than 300°C resulted in decrease in rate of accumulation Н2О2 without severe change Faradaic efficiency.

全文:

受限制的访问

作者简介

N. Maltseva

Novosibirsk State University; Boreskov Institute of Catalysis SB RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: maltseva.n.v@catalysis.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk; Novosibirsk

S. Moseenkov

Boreskov Institute of Catalysis SB RAS

Email: maltseva.n.v@catalysis.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk

M. Lebedeva

Novosibirsk State University; Boreskov Institute of Catalysis SB RAS

Email: maltseva.n.v@catalysis.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk; Novosibirsk

D. Kozlov

Novosibirsk State University; Boreskov Institute of Catalysis SB RAS

Email: maltseva.n.v@catalysis.ru
俄罗斯联邦, Novosibirsk; Novosibirsk

参考

  1. Hage, R. and Lienke, A., Applications of transition‐metal catalysts to textile and wood‐pulp bleaching, Angewandte Chem. Intern. Ed., 2006, vol. 45, p. 206.
  2. Raj, C.C. and Quen, H.L., Advanced oxidation processes for wastewater treatment: Optimization of UV/H2O2 process through a statistical technique, Chem. Engineering Sci., 2005, vol. 60, p. 5305.
  3. Kosaka, K., Yamada, H., Shishida, K., Echigo, S., Minear, R.A., Tsuno, H., and Matsui, S., Evaluation of the treatment performance of a multistage ozone/hydrogen peroxide process by decomposition by-products, Water Res., 2001, vol. 35, p. 3587.
  4. Alvarez–Gallegos, A. and Pletcher, D., The removal of low level organics via hydrogen peroxide formed in a reticulated vitreous carbon cathode cell, Part 1. The electrosynthesis of hydrogen peroxide in aqueous acidic solutions, Electrochim. Acta, 1998, vol. 44, p. 853.
  5. De Leon, C.P. and Pletcher, D., Removal of formaldehyde from aqueous solutions via oxygen reduction using a reticulated vitreous carbon cathode cell, J. Appl. Electrochem., 1995, vol. 25, p. 307.
  6. Perry, S.C., Pangotra, D., Vieira, L., Csepei, L.–I., Sieber, V., Wang, L., Ponce de León, C., and Walsh, F.C., Electrochemical synthesis of hydrogen peroxide from water and oxygen, Nature Rev. Chem., 2019, vol. 3, p. 442.
  7. Tanev, P.T., Chibwe, M., and Pinnavaia, T.J., Titanium–containing mesoporous molecular sieves for catalytic oxidation of aromatic compounds, Nature, 1994, vol. 368, p. 321.
  8. Clerici, M.G. and Ingallina, P., Epoxidation of lower olefins with hydrogen peroxide and titanium silicalite, J. Catalysis, 1993, vol. 140, p. 71.
  9. Noyori, R., Aoki, M., and Sato, K., Green oxidation with aqueous hydrogen peroxide, Chem. Commun., 2003, vol. p. 1977.
  10. Lane, B.S. and Burgess, K., Metal-catalyzed epoxidations of alkenes with hydrogen peroxide, Chem. rev., 2003, vol. 103, p. 2457.
  11. Fierro, J., Campos–martin, J.M., and Blanco–brieva, G., Hydrogen peroxide synthesis: An outlook beyond the anthraquinone process angewandte, Angewandte Chem.–Intern. Ed., 2006, vol. 45, p. 6962.
  12. Fukuzumi, S., Lee, Y.M., and Nam, W., Solar‐Driven Production of Hydrogen Peroxide from Water and Dioxygen, Chem.–A Europ. Journal, 2018, vol. 24, p. 5016.
  13. Davies, R. and Hickling, A., 686. Glow–discharge electrolysis. Part I. The anodic formation of hydrogen peroxide in inert electrolytes, J. Chem. Soc. (Resumed), 1952, vol. p. 3595.
  14. Viswanathan, V., Hansen, H.A., and Nørskov, J.K., Selective electrochemical generation of hydrogen peroxide from water oxidation, J. Phys. Chem. Letters, 2015, vol. 6, p. 4224.
  15. Chai, G.-L., Hou, Z., Ikeda, T., and Terakura, K., Two–electron oxygen reduction on carbon materials catalysts: mechanisms and active sites, J. Phys. Chem. C, 2017, vol. 121, p. 14524.
  16. Park, J., Nabae, Y., Hayakawa, T., and Kakimoto, M.–a., Highly selective two-electron oxygen reduction catalyzed by mesoporous nitrogen-doped carbon, ACS Catalysis, 2014, vol. 4, p. 3749.
  17. Lei, Y., Liu, H., Jiang, C., Shen, Z., and Wang, W., A trickle bed electrochemical reactor for generation of hydrogen peroxide and degradation of an azo dye in water, J. Advanced Oxidation Technol., 2015, vol. 18, p. 47.
  18. Lu, Z., Chen, G., Siahrostami, S., Chen, Z., Liu, K., Xie, J., Liao, L., Wu, T., Lin, D., and Liu, Y., High-efficiency oxygen reduction to hydrogen peroxide catalysed by oxidized carbon materials, Nature Catalysis, 2018, vol. 1, p. 156.
  19. Fellinger, T.-P., Hasché, F., Strasser, P., and Antonietti, M., Mesoporous nitrogen-doped carbon for the electrocatalytic synthesis of hydrogen peroxide, J. Amer. Chem. Soc., 2012, vol. 134, p. 4072.
  20. Perazzolo, V., Durante, C., Pilot, R., Paduano, A., Zheng, J., Rizzi, G.A., Martucci, A., Granozzi, G., and Gennaro, A., Nitrogen and sulfur doped mesoporous carbon as metal-free electrocatalysts for the in situ production of hydrogen peroxide, Carbon, 2015, vol. 95, p. 949.
  21. Sidik, R.A., Anderson, A.B., Subramanian, N.P., Kumaraguru, S.P., and Popov, B.N., O2 reduction on graphite and nitrogen-doped graphite: experiment and theory, J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, p. 1787.
  22. Peng, Y., Bian, Z., Zhang, W., and Wang, H., Identifying the key N species for electrocatalytic oxygen reduction reaction on N-doped graphene, Nano Research, 2023, vol. p. 1.
  23. Lee, J., Lim, J.S., Yim, G., Jang, H., Joo, S.H., and Sa, Y.J., Unveiling the cationic promotion effect of H2O2 electrosynthesis activity of O-doped carbons, ACS appl. mater. & interfaces, 2021, vol. 13, p. 59904.
  24. Stamatin, S.N., Hussainova, I., Ivanov, R., and Colavita, P.E., Quantifying graphitic edge exposure in graphene-based materials and its role in oxygen reduction reactions, ACS Catalysis, 2016, vol. 6, p. 5215.
  25. Jiang, Y., Ni, P., Chen, C., Lu, Y., Yang, P., Kong, B., Fisher, A., and Wang, X., Selective electrochemical H2O2 production through two‐electron oxygen electrochemistry, Advanced Energy Mater., 2018, vol. 8, p. 1801909.
  26. Datsyuk, V., Kalyva, M., Papagelis, K., Parthenios, J., Tasis, D., Siokou, A., Kallitsis, I., and Galiotis, C., Chemical oxidation of multiwalled carbon nanotubes, Carbon, 2008, vol. 46, p. 833.
  27. Rosca, I.D., Watari, F., Uo, M., and Akasaka, T., Oxidation of multiwalled carbon nanotubes by nitric acid, Carbon, 2005, vol. 43, p. 3124.
  28. Li, M., Boggs, M., Beebe, T.P., and Huang, C., Oxidation of single–walled carbon nanotubes in dilute aqueous solutions by ozone as affected by ultrasound, Carbon, 2008, vol. 46, p. 466.
  29. Wepasnick, K.A., Smith, B.A., Schrote, K.E., Wilson, H.K., Diegelmann, S.R., and Fairbrother, D.H., Surface and structural characterization of multi-walled carbon nanotubes following different oxidative treatments, Carbon, 2011, vol. 49, p. 24.
  30. Panzer, R. and Elving, P.J., Nature of the surface compounds and reactions observed on graphite electrodes, Electrochim. Acta, 1975, vol. 20, p. 635.
  31. Sun, F., Yang, C., Qu, Z., Zhou, W., Ding, Y., Gao, J., Zhao, G., Xing, D., and Lu, Y., Inexpensive activated coke electrocatalyst for high-efficiency hydrogen peroxide production: Coupling effects of amorphous carbon cluster and oxygen dopant, Appl. Catal. B: Environmental, 2021, vol. 286, p. 119860.
  32. Han, G.-F., Li, F., Zou, W., Karamad, M., Jeon, J.-P., Kim, S.-W., Kim, S.-J., Bu, Y., Fu, Z., and Lu, Y., Building and identifying highly active oxygenated groups in carbon materials for oxygen reduction to H2O2, Nature commun., 2020, vol. 11, p. 2209.
  33. Thommes, M., Kaneko, K., Neimark, A.V., Olivier, J.P., Rodriguez–Reinoso, F., Rouquerol, J., and Sing, K.S., Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report), Pure and Appl. Chem., 2015, vol. 87, p. 1051.
  34. Al-Jishi, R. and Dresselhaus, G., Lattice–dynamical model for graphite, Phys. Rev. B, 1982, vol. 26, p. 4514.
  35. Lee, S., Peng, J.-W., and Liu, C.-H., Probing plasma-induced defect formation and oxidation in carbon nanotubes by Raman dispersion spectroscopy, Carbon, 2009, vol. 47, p. 3488.
  36. Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Saito, R., and Jorio, A., Raman spectroscopy of carbon nanotubes, Phys. reports, 2005, vol. 409, p. 47.
  37. Kinoshita, K., Electrochemical oxygen technology, John Wiley & Sons, 1992. С. 4.
  38. Lim, J.S., Kim, J.H., Woo, J., San Baek, D., Ihm, K., Shin, T.J., Sa, Y.J., and Joo, S.H., Designing highly active nanoporous carbon H2O2 production electrocatalysts through active site identification, Chem., 2021, vol. 7, p. 3114.
  39. Katsounaros, I., Cherevko, S., Zeradjanin, A.R., and Mayrhofer, K.J., Oxygen electrochemistry as a cornerstone for sustainable energy conversion, Angewandte Chem. Intern. Ed., 2014, vol. 53, p. 102.
  40. Liu, W., Li, C., Ding, G., Duan, G., Jiang, Y., and Lu, Y., Highly efficient hydrogen peroxide electrosynthesis on oxidized carbon nanotubes by thermally activated–persulfate, J. Materiomics, 2022, vol. 8, p. 136.
  41. Chen, S., Chen, Z., Siahrostami, S., Higgins, D., Nordlund, D., Sokaras, D., Kim, T.R., Liu, Y., Yan, X., and Nilsson, E., Designing boron nitride islands in carbon materials for efficient electrochemical synthesis of hydrogen peroxide, J. Amer. Chem. Soc., 2018, vol. 140, p. 7851.
  42. Раздьяконова, Г.И., Кохановская, О.А., Лихолобов, В.А. Саморазложение пероксида водорода на поверхности дисперсного углерода. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информ. технологии. 2015. Т. 7. С. 180. [Razdyakonova, G.I., Kokhanovskaya, O.A., and Likholobov, V.A., Self–decomposition of hydrogen peroxide on the surface of dispersed carbon, Radioelectronics. Nanosystems. Information Technologies (in Russian), 2015, vol. 7, p. 180.]
  43. Морозов, А.Р., Родионов, А.И., Каменчук, И.Н. Кинетика разложения пероксида водорода в воде. Успехи в химии и химической технологии. 2014. Т. 28. С. 46. [Morozov, A.R., Rodionov, A.I., and Kamenchuk, I.N., Kinetics of hydrogen peroxide decomposition in water, Uspekhi khimii I khimicheskoy tekhnologii, 2014, vol. 28, p. 46.]
  44. Ribeiro, R.S., Silva, A.M., Figueiredo, J.L., Faria, J.L., and Gomes, H.T., The influence of structure and surface chemistry of carbon materials on the decomposition of hydrogen peroxide, Carbon, 2013, vol. 62, p. 97.
  45. Rey, A., Zazo, J., Casas, J., Bahamonde, A., and Rodriguez, J., Influence of the structural and surface characteristics of activated carbon on the catalytic decomposition of hydrogen peroxide, Appl. Catal. A: General, 2011, vol. 402, p. 146.
  46. Domínguez, C., Quintanilla, A., Ocón, P., Casas, J., and Rodriguez, J., The use of cyclic voltammetry to assess the activity of carbon materials for hydrogen peroxide decomposition, Carbon, 2013, vol. 60, p. 76.
  47. Khalil, L.B., Girgis, B.S., and Tawfik, T.A.M., Decomposition of H2O2 on activated carbon obtained from olive stones, J. Chem. Technol. & Biotechnol.: Intern. Res. in Process, Environmental & Clean Technol., 2001, vol. 76, p. 1132.
  48. Oliveira, L.C., Silva, C.N., Yoshida, M.I., and Lago, R.M., The effect of H2 treatment on the activity of activated carbon for the oxidation of organic contaminants in water and the H2O2 decomposition, Carbon, 2004, vol. 42, p. 2279.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Isotherms of low-temperature nitrogen adsorption obtained at 77 K for the studied materials.

下载 (213KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Raman spectra for the studied samples.

下载 (197KB)
索引源数据
4. 3. TEM micrographs with a resolution of 0.2 microns (right) and 5 nm (left).

下载 (2MB)
索引源数据
5. Fig. 4. Thermoprogrammed desorption data for the studied samples. a – MOUNT-0; b – MOUNT-300; c – MOUNT-400; d – MOUNT-500.

下载 (1MB)
索引源数据
6. 5. Spectra of the O1s (a) and C1s (b) lines for the studied materials. The difference spectra of C1s (b) for the samples MUNT-300 (1), MUNT-500 (2) relative to the sample MUNT-0.

下载 (261KB)
索引源数据
7. Fig. 6. CVA data of the studied materials obtained in 0.1 M NaOH in the potential range 0.05–1 VOE, the potential sweep rate is 20 mV/s in the absence (a) and presence of oxygen (b).

下载 (523KB)
索引源数据
8. Fig. 7. Samples for the studied materials taken on a rotating disk electrode at a rotational speed of 1600 rpm in 0.1 M NaOH in the presence of oxygen. The insert on the right shows the CVA for MTT-0 at rotational speeds of 400-1600 rpm in 0.1 M NaOH in the presence of oxygen.

下载 (188KB)
索引源数据
9. 8. Chronoamperograms for the studied materials obtained in 0.1 M NaOH during the synthesis of H2O2 at a potential of 0.4 VOE.

下载 (182KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».