Décor de vert synthétisé S, N

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 8103 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'auteur à cet article a été publiée le 02 août 2022

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Les nanotubes d'halloysite (HNT) avec des sites hautement actifs sont utilisés comme supports minéraux stratifiés naturels. Des points quantiques de graphène (S, N-GQD) dopés au soufre et à l'azote comme additif conducteur et CoFe2O4 comme électrocatalyseur ont été décorés sur un support HNT pour concevoir un matériau actif efficace et respectueux de l'environnement. Ici, un nanocomposite CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs respectueux de l'environnement est fabriqué via une méthode hydrothermale verte pour équiper les sites de stockage d'hydrogène développés et permettre un transport rapide de la charge pour l'utilisation du stockage d'hydrogène. La capacité de stockage d'hydrogène des HNT purs était de 300 mAhg−1 à une densité de courant de 1 mA après 20 cycles, tandis que celle des HNT recouverts de S,N-GQD (S,N-GQDs/HNTs) était de 466 mAhg−1 sous des conditions identiques. conditions. Il était également concevable d'augmenter la capacité de sorption de l'hydrogène par la procédure de débordement en interconnectant CoFe2O4 dans la nanoargile halloysite. La capacité de stockage d'hydrogène des CoFe2O4/HNT était de 450 mAhg-1, tandis que celle des nanocomposites représentatifs de CoFe2O4/S, N-GQDs/HNT était de 600 mAhg-1. La nanoargile haloysite et l'halloysite traitée présentent un potentiel en tant que matériaux d'électrode pour le stockage d'énergie électrochimique en milieu alcalin ; en particulier, les nanocomposites ternaires CoFe2O4/S, N-GQD/HNT démontrent des performances de sorption d'hydrogène développées en termes de présence d'additifs conducteurs, de physisorption et de mécanismes de débordement.

Les minéraux argileux ont été largement exploités pour développer des nanocomposés fonctionnels, en raison de la diversité de ces silicates pour assembler divers types d'espèces agissantes à la taille nano1,2. En conséquence, différents matériaux, tels que des nanoparticules, des polymères ou des composants biologiques, peuvent être assemblés pour créer des nanoconstructions très diverses d'intérêt comme des nanocomposites d'argile pour des applications dans le stockage d'énergie, les réactions catalytiques et les capteurs, entre autres exigences3,4.

Plusieurs rapports ont été pris en compte pour l'application de minéraux argileux pour des applications de stockage d'énergie dans différents dispositifs de stockage d'énergie, tels que des membranes, des électrolytes et des électrodes. Les nanotubes d'halloysite (HNT) sont une argile tubulaire avec des détails structurels de 50 nm de diamètre, de 600 à 900 nm de longueur et de 15 nm pour la lumière interne5,6. L'halloysite est un matériau distinctif qui est construit en enroulant des feuilles de kaolin en nanotubes mésoporeux à parois multiples. La surface de l'halloysite est créée par l'alumine (surfaces des lumières) et la silice (autres surfaces)7,8. Ses caractéristiques exceptionnelles incluent une construction creuse, une porosité élevée, des caractéristiques de surface ajustables, un faible coût, une fonctionnalisation de surface polyvalente et une préparation facile9,10,11,12,13. La modification de surface des nanotubes d'halloysite peut être effectuée dans la surface externe ou la lumière interne. Le type de stratégie de modification de surface à choisir peut dépendre du type d'application requise. Ces agents de modification comprennent le polymère, les nanoparticules, les tensioactifs, le couplage organosilane, la gravure acide et les composés d'origine biologique14.

Les productions d'énergie et d'électricité sont les sujets de base pour gérer l'adéquation de la société industrielle et de la vie humaine. Toutes les actions nécessitent de l'énergie, notamment la fabrication de produits, le refroidissement ou le réchauffement des bâtiments, l'entraînement et l'éclairage des systèmes moteurs15. Actuellement, nous comptons sur des sources d'énergie non renouvelables pour répondre à la plupart des besoins énergétiques. Ces productions non renouvelables se déchargent rapidement en raison de leur vaste exploitation16. De plus, ces sources sont une base essentielle pour changer le temps car ces combustions fossiles libèrent du dioxyde de carbone (CO2), qui est absolument destructeur pour l'environnement17. Ainsi, l'énergie hydrogène peut être la source la plus difficile pour les dispositifs énergétiques à l'avenir18. L'hydrogène est identifié comme une source d'énergie non toxique et à bas prix pour les ressources statiques et transférables. L'hydrogène fournit une énergie reproductible après allumage19. Les scientifiques ont considéré l'hydrogène comme un futur carburant encourageant en raison de ses caractéristiques substantielles. Ces caractéristiques sont, en contenant beaucoup dans le monde, une source d'énergie non souillée et le carburant le plus léger20,21.

Les propriétés des matériaux d'électrode sont cruciales pour les performances de stockage d'énergie des dispositifs de stockage. Il a été bien établi que les matériaux d'électrodes nanostructurés peuvent améliorer la capacité et la stabilité du cycle des dispositifs de stockage. Le transport de masse et la cinétique des électrodes peuvent être augmentés en diminuant le chemin de transport de charge et la distance de diffusion des ions. De plus, la coopération de plusieurs mécanismes et processus de stockage peut favoriser le potentiel des matériaux d'électrode pour l'adsorption des ions. Dans les matériaux stratifiés, en particulier les minéraux argileux avec des structures uniques, un mécanisme de débordement peut se produire en décorant les matériaux électrocatalyseurs sur leurs surfaces. Les molécules H2 adsorbées sur l'électrocatalyseur décoré migrent à la surface des minéraux argileux, et l'hydrogène peut être transporté d'une surface à une autre surface. De plus, la conception de ponts de carbone entre la source de dissociation (électrocatalyseur) et le récepteur (argile) conduit à la diffusion. Les points quantiques de graphène (GQD), en tant que source de carbone fonctionnelle dotée de propriétés physicochimiques distinctives, jouent un rôle idéal dans le processus de stockage d'énergie22,23. La présence de GQD dans la texture des électrodes a été rapportée dans des études antérieures pour étudier les systèmes de stockage d'énergie électrochimique tels que les batteries Li-ion, les batteries Li-S et les supercondensateurs24,25,26,27,28. Les groupes de Yushan Liu ont republié la préparation de nanocomposites HNT/RGO qui offraient des performances supérieures en tant que matériau d'électrode dans les supercondensateurs29. Nano assemblage de points quantiques de graphène dopés N ancrés de nanotubes Fe3O4/halloysite conçus par Akhilesh BabuGanganboina et.al. pour supercondensateur haute performance30.

Selon la littérature mentionnée, la nanoargile HNT, le CoFe2O4 et le S, N-GQD ont été sélectionnés comme composants de support, d'électrocatalyseur et de récepteur conducteur, respectivement. Ainsi, des nanocomposites ternaires ont été conçus en décorant du CoFe2O4 et du S,N-GQD sur des nanotubes d'halloysite. Le CoFe2O4 en tant qu'oxyde de métal de transition dans la catégorie des matériaux spinelles a été largement utilisé dans les systèmes de stockage d'énergie électrochimique31,32. Les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique subissent des réactions d'oxydo-réduction à forte puissance, qui stockent des charges électriques en surface et dans les pores de la structure33. Les nanocomposites ternaires CoFe2O4/S, N-GQD/HNT obtenus ont été préparés par une méthode hydrothermale verte avec des mécanismes de débordement synergiques, des processus redox et une adsorption physique comme matériaux potentiels de stockage d'hydrogène. La décoration de la couche S, N-GQD en tant que récepteur conducteur et des nanoparticules de CoFe2O4 en tant qu'électrocatalyseur sur des nanotubes d'halloysite a été étudiée à l'aide de l'analyse structurelle de XRD, FE-SEM, TEM, FT-IR et EDS. Les capacités électrochimiques des composites résultants ont été comparées pour atteindre des matériaux d'électrode idéaux en termes de fonction, de mécanisme et de performance.

Les nanotubes d'halloysite ont été étudiés en termes de morphologie et de pureté à l'aide de micrographies FE-SEM et de diffractogrammes XRD. Le diagramme schématique du processus de décoration des nanoparticules de S, N-GQD et CoFe2O4 sur des nanotubes d'halloysite est présenté sur les figures 1a à c. En outre, le mécanisme du processus de stockage de l'hydrogène par débordement représenté sur les figures 1d et e. Comme le montrent les figures S1a et b, la structure de l'halloysite est constituée de nanotubes de différentes longueurs34. De plus, le diffractogramme XRD pour les HNT vierges est illustré à la Fig. S1c, qui confirme la structure de Al2Si2O5 (OH)4 avec un code de référence de 29–1487. Le pic à 2Ɵ = 25 degrés est présent dans la texture des minéraux de nanotubes d'halloysite liés au SiO2 (JCPDS = 82-1554), qui est disponible dans les matériaux argileux35,36. La pureté des échantillons de nanocomposites purs S, N-GQD et S, N-GQD / HNT tels que fabriqués a été étudiée et est illustrée sur les figures 2a et b à l'aide de la technique XRD. La figure 2a affiche un large pic à environ 15 à 25 degrés de texture de carbone, qui prend en charge la formation de points quantiques de graphène à partir de jus d'oignon rouge dans le processus hydrothermique. De plus, la formation de S, N-GQD sur le substrat de nanotubes d'halloysite a été confirmée par l'étude du diffractogramme XRD de la figure 2b. La figure 2b affiche simultanément les pics nets d'hydroxyde de silicate d'aluminium (29-1487) et de silice (82-1554) et un large pic de carbone (08-0415). De plus, les figures 3a et b illustrent les diffractogrammes XRD pour CoFe2O4/HNTs et CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs, respectivement. La présence de ferrite de cobalt avec un système cristallin de nanotubes cubiques (JCPDS = 02-1045) et d'halloysite est disponible dans ces deux diagrammes XRD.

( a – c ) Décoration de nanoparticules de S, N-GQD et CoFe2O4 sur le substrat HNT et ( d, e ) Mécanisme de débordement de CoFe2O4 / S, N-GQD / HNT pour le stockage de l'hydrogène.

Diffractogrammes XRD de (a) des GQD vierges dopés au S, N et (b) des nanocomposites S, N-GQD/HNT.

Diffractogrammes XRD de (a) CoFe2O4/HNTs et (b) CoFe2O4/S, nanocomposites N-GQD/HNT.

Les morphologies des échantillons conçus, tels que les nanocomposites S, N-GQDs/HNTs, CoFe2O4/HNTs et CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs, sont présentées à la Fig. 4 à différents grossissements de 1 µm et 200 nm. La figure 4a et b montre la couverture des GQD sur le nanotube d'argile Halloysite. La formation de nanoparticules de CoFe2O4 sur les structures HNT est illustrée aux Fig. 4c et d et la création de CoFe2O4 et S, N-GQD sur le substrat HNT est illustrée aux Fig. 4e et f, ce qui conduit à la formation d'une chaîne de particules sur le substrat HNT. La figure 5a à d affiche des images TEM de nanocomposites ternaires conçus à différents grossissements. Les images montrent clairement la décoration des nanoparticules de CoFe2O4 et des S,N-GQD sur le substrat de nanotubes d'halloysite. Les trois composants des structures HNT, S, N-GQD et CoFe2O4 sont spécifiés dans les images TEM. Les nanotubes liés aux structures d'halloysite et aux particules observées font référence aux nanostructures de CoFe2O4. L'espacement d mesuré de 0, 332 nm corrélé aux franges de réseau de CoFe2O4 est indexé sur l'espacement de réseau de (220) donné sur la figure 5d. Pour mieux expliquer le processus de décoration des nanoparticules de S, N-GQD et CoFe2O4 sur des nanotubes d'halloysite, un diagramme schématique est dessiné et présenté sur les Fig. 1a à c. Ce schéma a clarifié la fonction de synthèse étape par étape en détail.

Micrographies FE-SEM de (a, b) S, N-GQDs/HNTs, (c, d) CoFe2O4/HNTs et (e, f) CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs nanocomposites.

( a - d ) Images TEM de nanocomposites CoFe2O4 / S, N-GQD / HNT à différents grossissements.

L'analyse FT-IR a été appliquée pour la détection des bandes chimiques d'échantillons et est illustrée à la Fig. 6a – d. La figure 6a–d montre les spectres FT-IR de S pur vierge, N-GQD, HNT purs, N, S-GQD/HNT et CoFe2O4/S, N-GQD/HNT. Comme on le voit dans le spectre FT-IR de l'argile HNT, les liaisons d'étirement et de flexion de Al2OH étaient situées respectivement à 3695, 3621 et 911 cm−1. Les pics obtenus à 753, 691 et 537 cm−1 sont liés aux liaisons de flexion de Si–O-Al. Les liaisons à 1033 cm−1 font référence aux vibrations Si–O et OH dans les unités halloysite qui apparaissent à 791 cm−137,38. Les vibrations des oxydes métalliques (465 et 539 cm−1) dans la ferrite de cobalt et l'halloysite se chevauchent. Les pics résultants à 1385, 1614 et 2925 cm−1 représentent les groupes fonctionnels des GQD, tels que =C–H, C–N, C=O, C–H et C–OH39. L'analyse élémentaire du S vierge, des N-GQD et des nanocomposites de CoFe2O4 / S, N-GQD / HNT est illustrée sur les figures S2a et b à l'aide de la technique EDS. La présence de soufre et d'azote dans l'analyse EDS des GQD confirme la formation de points quantiques de graphène dopés S et N. En plus de S, N et C, la présence de Al, Si, Co, Fe et O confirme la texture des HNT et CoFe2O4 dans les nanocomposites ternaires.

Spectres FT-IR de (a) S vierges, N-GQDs, (b) HNTs vierges, (c) S, N-GQDs/HNTs et (d) CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs nanocomposites.

La composition chimique de l'oignon comprend plusieurs acides carboxyliques, sucres, etc. Sept acides organiques ont été identifiés et quantifiés dans des échantillons d'oignon tels que l'acide malique, l'acide citrique, l'acide tartrique, l'acide oxalique, l'acide ascorbique, l'acide succinique et l'acide pyruvique. En outre, des composés contenant du soufre et de l'azote détectés dans l'extrait d'oignon sous forme d'organosoufre et d'acides aminés. Ces composés sont constitués de 1-propanethiol, de sulfure de propylène, de sulfure de diméthyle, d'acide aspartique, de sérine et, etc.40,41.

Le mécanisme possible de formation de GQD à partir des acides organiques a été expliqué comme suit ; les acides organiques tels que l'acide tartrique ou les acides ascorbiques lorsqu'ils sont chauffés à leur température de fusion se décomposent et l'ion hydronium formé à partir de l'acide, agit comme un catalyseur dans les étapes de réaction de décomposition ultérieures. La voie significative du mécanisme était que la condensation et la cyclo-addition étaient suivies de la formation d'aromatisation et de grappes aromatiques. Au cours de la pyrolyse, des molécules d'acide déshydraté adjacentes ont réagi les unes avec les autres pour former des GQD et les groupes fonctionnels situés au bord de chaque GQD agissent comme une couche de passivation à la surface42. De plus, la présence d'une source de soufre ou d'azote avec des sources de carbone conduit à la formation de GQD dopés au S, N. Les composés de thiamine ou d'acide pantothénique dans l'extrait d'oignon semblent être responsables du dopage du S ou du N dans les structures GQDs43.

Les spécifications de surface ont été déterminées par la méthode BET pour comparer les données de surface des HNT vierges et des nanocomposites représentatifs de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT. La caractérisation de surface en termes de surface spécifique et de porosité est un facteur essentiel pour l'adsorption et l'insertion des ions en surface ou dans les pores. Par conséquent, les données résultantes peuvent agir comme des propriétés importantes pour les matériaux de stockage d'énergie. Comme on le voit sur les figures S3a et c, un isotherme de type IV typique peut être déterminé pour deux parcelles BET. Les isothermes obtenues ont une boucle d'hystérésis H3. L'isotherme de type IV est définie pour les matériaux par des structures mésoporeuses44. La surface spécifique, le volume total des pores et le diamètre moyen des pores pour les HNT vierges et les nanocomposites de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT sont résumés dans le tableau S1. La distribution de la taille des pores pour les échantillons est illustrée aux figures S3b et d. La distribution de la taille des pores pour les HNT vierges montrant une large distribution de la taille des pores dans la plage de 1 à 55 nm avec un maximum autour des pores de 2 nm de diamètre (Fig. S3b). Comme le montre la figure S3d, la distribution de la taille des pores pour les nanocomposites CoFe2O4 / S, N-GQD / HNT dans la plage de 1 à 45 nm présente le maximum autour des pores de 40 nm. Selon les données de surface spécifique, en décorant les nanoparticules de CoFe2O4 et les S, N-GQD sur l'argile Halloysite, la surface de l'Halloysite diminue en raison du recouvrement de la surface des HNT par les composants CoFe2O4 et S, N-GQD.

La capacité de stockage électrochimique de l'hydrogène (EHS) est un critère approprié pour comparer le comportement des matériaux actifs dans l'électrode de travail pour la sorption de l'hydrogène par la technique de chronopotentiométrie charge-décharge (CP). Pour vérifier ce critère, les matériaux actifs conçus sur le substrat des HNT ont été examinés en termes de capacité de stockage d'hydrogène par rapport aux HNT vierges. Les profils de décharge pour les échantillons conçus de CoFe2O4/HNTs, S, N-GQDs/HNTs et CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs sont présentés dans les Fig. 7b–d, respectivement. Comme le montre la figure 7a, le profil de décharge des HNT vierges exprime une capacité de décharge de 300 mAhg-1 après 20 cycles à une densité de courant de 1 mA. La présence de CoFe2O4 à la surface des nanotubes d'halloysite peut augmenter la capacité des HNT à 450 mAhg-1 en raison de la tâche électrocatalytique de CoFe2O4 dans le mécanisme de débordement des nanotubes d'argile. De plus, les composites S, N-GQD/HNT montrent une capacité de décharge de 466 mAhg-1 après 20 cycles. Le rôle simultané de CoFe2O4 et de S,N-GQD à la surface des HNT peut augmenter la capacité de stockage d'hydrogène des HNT à 600 mAhg-1 en appliquant une densité de courant de 1 mA dans un électrolyte de 2 M KOH.

Profils de décharge de (a) HNTs vierges, (b) CoFe2O4/HNTs, (c) S, N-GQDs/HNTs, (d) CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs nanocomposites et (e) voltamétrie cyclique comparative (CV) courbe pour les HNT vierges et les nanocomposites CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs.

Le rôle du débordement d'hydrogène dans l'amélioration de la capacité de stockage d'hydrogène est encore discutable en raison du manque de compréhension du mécanisme exact, et des résultats contraires sur les caractéristiques d'absorption d'hydrogène. Le débordement est la dissociation des molécules d'hydrogène en atomes par les métaux de transition et la diffusion ultérieure de ces atomes vers le matériau hôte, dans lequel les atomes d'hydrogène peuvent hydrogéner les liaisons C-C insaturées (c'est-à-dire le charbon actif, le graphite et les nanotubes de carbone à paroi unique) ou le cycle benzénique (c'est-à-dire les MOF, les COF et les polymères). Parmi les différentes étapes de débordement, la dissociation des molécules d'hydrogène et la diffusion des atomes d'hydrogène sont respectivement considérées comme instantanées et sans barrière ; cependant, les atomes d'hydrogène doivent surmonter des barrières à haute énergie pour la migration vers le matériau hôte, ce qui fait de la migration l'étape limitant la vitesse. Par conséquent, un regroupement minimum et une dispersion au niveau moléculaire fin des métaux de transition dans le matériau hôte sont souhaitables pour rendre le chemin de migration aussi court que possible45. Le débordement est un mécanisme concevable dans les systèmes de sorption d'hydrogène qui comprennent des électrocatalyseurs pour dissocier les atomes H2 en H. Dans le concept de débordement, l'hydrogène adsorbé sur l'électrocatalyseur migre vers la surface des matériaux de support tels que le carbone ou les structures en couches telles que le graphite ou l'argile, et l'hydrogène peut être transporté d'une surface à une autre surface. Des processus de débordement se produisent dans les composites CoFe2O4/HNT et CoFe2O4/S, N-GQD/HNT lorsque l'hydrogène est adsorbé sur les nanoélectrocatalyseurs CoFe2O4 et qu'un débordement en deux étapes se produit. Le débordement primaire se produit par le transport de l'hydrogène atomique de la nanoparticule d'électrocatalyseur vers le support, et le débordement secondaire se produit par le transport de l'hydrogène vers le récepteur (HNT). La procédure de diffusion est obligatoire pour les débordements secondaires46. Par conséquent, la formation de ponts carbonés (S, N-GQD) entre la source de dissociation (CoFe2O4) et le récepteur (HNT) conduit à la diffusion. Le débordement secondaire a été justifié pour développer la capacité de stockage de l'hydrogène en mélangeant l'adsorbant avec un catalyseur capable de dissocier l'hydrogène47,48. Le mécanisme de débordement expliqué dans les nanocomposites CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs est présenté en détail dans les Fig. 1d et e.

Outre le rôle du pont carbone des S,N-GQDs dans le mécanisme de débordement, la capacité de sorption de l'hydrogène en présence de GQDs dopés codopés (CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs) est meilleure que celle de CoFe2O4/HNTs du fait que le transfert d'électrons dans les électrodes à base de S, N-GQD est correctement rapide. La formation de S, N-GQD sur les électrodes peut altérer la capacité de décharge en raison des nombreuses zones de bord produites par les S, N-GQD de petite taille et de la conductivité adéquate corrélée aux structures de liaison CoFe2O4. Le rendement élevé de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT peut être élucidé grâce aux états de piège formés à la fois par les dopants et les états de bord, qui peuvent adsorber les porteurs de charge pour augmenter la capacité de stockage. La densité électronique des couches de graphène peut être modifiée par dopage par des espèces acceptrices d'électrons ou donneuses d'électrons. Le soufre ou l'azote en tant qu'hétéroatomes dans la structure du graphène peuvent être remplacés par des atomes de carbone. Par conséquent, une migration d'électrons se produit, ce qui conduit à la création d'électrons et de trous. Cette structure se modifie avec les S, N-GQD coopérants et joue un grand rôle dans les systèmes électrochimiques et électrocatalyseurs pour les applications de stockage d'énergie22,49. De plus, l'azote en tant qu'atome donneur avec la capacité de modifier électroniquement le graphène peut améliorer les comportements de conductivité et de catalyse des structures de graphène50,51.

Le fonctionnement de la sorption d'hydrogène dans les oxydes métalliques se situe par physisorption. Le H+ produit à partir de l'électrolyte aqueux s'adsorbe à la surface de l'oxyde métallique (processus de charge). Pendant le trajet de décharge, H2 migre de l'électrode de travail dans des conditions alcalines et redevient de l'eau tout en libérant un électron. Dans l'étape suivante, l'hydrogène adsorbé sur l'électrocatalyseur d'oxydes métalliques migre des nanoparticules vers la surface du support carboné, et l'hydrogène peut être transporté d'une surface vers une autre surface52.

En fait, le processus Heyrovsky s'est produit en raison de l'activité électrocatalytique appropriée des nanoparticules de CoFe2O4 synthétisées53. L'effet synergique de Tafel [Eq. (2)]54 et Heyrovsky [éq. (3)] ​​procédé conduit à un stockage d'hydrogène dans les matières actives.

Selon l'éq. (4), l'électrolyte de KOH s'est dissocié et les ions OH- et H+ ont été produits au cours de la direction de charge. Ensuite, le H+ produit migre vers l'électrode de travail. Dans la réaction cathodique, le H+ s'adsorbe à la surface des matières actives. Au cours d'un processus d'oxydation et d'une réaction anodique, le mécanisme de charge a été effectué dans les contre-électrodes (Pt). Pendant la direction de décharge, le H2 stocké dans l'électrode de travail migre en libérant un électron dans des conditions alcalines et de l'eau est à nouveau produite. Le Fe3+ en tant qu'ion métallique central est réduit en Fe2+ [Eq. (5)]. Enfin, le H+ adsorbant peut équilibrer la charge totale de CoFe2O4. Les liaisons Fe-H créées au niveau de la construction ont favorisé la formation d'ions OH- avec une diminution du couple redox Fe3+/Fe2+.

La technique électroanalytique de voltamétrie cyclique (CV) était habituellement utilisée pour l'étude comparative des attributs des matériaux d'électrode. Des connaissances scientifiques fascinantes et efficaces peuvent être fournies en associant les attributs du matériau, tels que la structure et la morphologie, à leur réponse électrochimique. La réponse électrochimique des HNT décorés avec du CoFe2O4 et des GQD a été étudiée par CV pour comparaison avec les HNT vierges. La figure 7e présente les courbes CV pour les HNT vierges et les nanocomposites représentatifs de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT sur une région de potentiel de − 1,1 à − 0,2 V. La réponse des électrodes (pics anodiques et cathodiques) pour tous les échantillons est répertoriée dans Tableau S2. Les nanocomposites CoFe2O4/S, N-GQDs/HNT expriment une meilleure réponse d'électrode que les HNT vierges. Il est fascinant de noter que la couverture de S, N-GQD sur des structures HNT modifie les attributs électrochimiques des matériaux d'électrode tels que fabriqués pour les applications de stockage d'énergie. De plus, CoFe2O4 en tant qu'électrocatalyseur peut améliorer le mécanisme de stockage d'énergie, ce qui est compatible avec les résultats de charge-décharge de la chronopotentiométrie.

La nanoargile haloysite en tant que substrat unique présente des propriétés favorables en termes d'adsorption d'hydrogène en utilisant l'incorporation de mécanismes de physisorption et de débordement. Les points quantiques de graphène co-dopés au soufre et à l'azote synthétisés en vert en tant que composants conducteurs et les nanoparticules de ferrite de cobalt en tant qu'électrocatalyseur ont été décorés sur le substrat d'halloysite. La morphologie et la pureté des nanocomposites ternaires conçus confirment la présence de CoFe2O4 et de S,N-GQD sur le substrat des HNT. L'halloysite et l'halloysite traitée montrent une capacité de stockage d'hydrogène de 300 et 600 mAhg-1 l'une par rapport à l'autre dans l'électrolyte 2 M KOH après 20 cycles à un courant de 1 mA par la méthode de chronopotentiométrie charge/décharge. En conséquence, les nanocomposites fabriqués CoFe2O4/S, N-GQS/HNTs fournissent un processus facile pour le plan réfléchissant des composés potentiels pour les dispositifs de stockage d'énergie.

Les précurseurs chimiques et les matières premières utilisées dans le processus de synthèse des échantillons, y compris les nanotubes d'halloysite (HNT), FeCl3·6H2O, Co(CH3CO2)2·4H2O, CTAB et NaOH, ont été achetés auprès d'une société Merck et appliqués sans autre purification. Les diffractogrammes XRD ont été enregistrés par un dispositif de diffractomètre à rayons X utilisant un rayonnement Cu Ka filtré au Ni (Philips-X'pertpro). Les spectres FT-IR ont été obtenus sur un spectromètre Nicolet Magna-550 dans des pastilles de KBr. Des micrographies SEM ont été obtenues sur un LEO-1455VP équipé d'une spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie. Une analyse EDS avec une tension d'accélération de 20 kV a été effectuée. Les images TEM ont été capturées sur un microscope électronique à transmission Philips EM208 avec une tension d'accélération de 200 kV. L'analyse BET a été réalisée à - 196 ° C à l'aide d'un analyseur d'adsorption de gaz automatisé (Tristar 3000, Micromeritics). La distribution de la taille des pores a été mesurée en appliquant la branche de désorption de l'isotherme dans la méthode BJH.

L'oignon rouge a été sélectionné comme source verte pour la synthèse de points quantiques de graphène à l'aide d'une procédure hydrothermale. Pour utiliser l'extrait d'oignon, l'oignon rouge frais a été pressé et le jus d'oignon a été filtré des pulpes. Le jus d'oignon rouge a été filtré à nouveau et transféré dans un autoclave scellé de 50 ml et chauffé pendant 8 h à 180 °C. Le produit obtenu a été filtré et la solution de GQD a été séparée des poudres résultantes. La solution obtenue contient une solution de GQD codopée S,N.

Pour synthétiser les S, N-GQD sur le substrat de nanotubes d'halloysite, 0,2 g de HNT ont été dispersés dans 50 ml de jus d'oignon rouge dilué à l'aide d'un bain à ultrasons. Le mélange préparé a été transféré dans un autoclave scellé et chauffé pendant 8 h à 180 °C. Enfin, les produits résultants de S, N-GQDs/HNTs ont été séchés pendant 24 h à 80 °C dans une étuve à vide.

Les poudres de S,N-GQD/HNT fournies dans "Détails électrochimiques" ont été utilisées comme substrats pour la synthèse de nanoparticules de CoFe2O4. S (0,02 g), poudres de N-GQD/HNT dispersées par ultrasons dans de l'eau DI. Ensuite, la solution mixte comprend 0,13 g de FeCl3·6H2O, 0,10 g de Co(CH3CO2)2·4H2O et 0,13 g de CTAB dans de l'eau DI préparée et ajoutée à la solution dispersée de S, N-GQD/HNT. Le pH du mélange fourni a été ajusté à 11 en utilisant du NaOH et agité pendant 20 min. Enfin, le mélange résultant a été transféré dans un autoclave scellé et chauffé pendant 15 h à 150 °C. Le CoFe2O4 préparé sur le substrat de S, N-GQD/HNT a été centrifugé et séché à 60 °C dans une étuve.

Les cellules collectées possédaient le matériau d'électrode résultant pour l'électrode de travail, une plaque de platine comme contre-électrode, Ag/AgCl comme électrode de référence et KOH dans de l'eau DI comme électrolyte. L'électrode de travail a été conçue en enduisant les matériaux synthétisés sur le substrat en cuivre. Dans les cellules à trois électrodes, il est nécessaire de calculer les variations de potentiel de l'électrode de travail, donc cette variation est étudiée par rapport à une électrode de référence (électrode potentiellement définie). Ces électrodes offrent la possibilité de spécifier le potentiel d'électrode de travail en fournissant un potentiel constant et reproductible. Les électrodes Ag/AgCl sont les électrodes de référence les plus largement utilisées dans ce système55. Ces substrats de cuivre résultants ont été appliqués comme électrodes de travail dans des cellules de stockage d'hydrogène à trois électrodes. Des études de charge-décharge galvanostatique ont été effectuées sur le dispositif de test SAMA 500 aux densités de courant souhaitées. Des expériences de voltammogramme cyclique pour les électrodes obtenues ont été réalisées dans des cellules collectées de manière similaire à une vitesse de balayage de 0, 10 Vs-1.

Une correction à cet article a été publiée : https://doi.org/10.1038/s41598-022-17519-y

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Le professeur Masoud Salavati-Niasari et les coauteurs de l'Institut des nanosciences et des nanotechnologies de l'Université de Kashan, IRAN, sont aimablement remerciés pour avoir fourni l'accès à l'installation d'analyse par la subvention n° (159271/MG8) de l'Université de Kashan et le conseil de Iran National Science Foundation (INSF) par Grant No. (97017837).

Institut des nanosciences et des nanotechnologies, Université de Kashan, PO Box. 87317-51167, Kashan, République islamique d'Iran

Maryam Ghiyasian-Arani & Masoud Salavati-Niasari

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MSN et MGA ont conçu l'idée. MGA a mené les expériences, caractérisé les produits et rédigé le manuscrit. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Maryam Ghiyasian-Arani ou Masoud Salavati-Niasari.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

La version originale en ligne de cet article a été révisée : dans la version originale de cet article, Masoud Salavati-Niasari a été omis en tant qu'auteur correspondant. La correspondance et les demandes de matériel doivent également être adressées à [email protected]. De plus, la version originale de cet article contenait une erreur dans la section Remerciements. "Le professeur Masoud Salavati-Niasari et les coauteurs de l'Institut des nanosciences et des nanotechnologies de l'Université de Kashan, IRAN, sont aimablement remerciés pour avoir fourni l'accès à l'installation d'analyse par la subvention n° 97014327 de l'Université de Kashan et du Conseil des sciences nationales iraniennes. Fondation (INSF) par Grant No. 99019327." se lit maintenant : "Le professeur Masoud Salavati-Niasari et les coauteurs de l'Institut des nanosciences et des nanotechnologies, Université de Kashan, IRAN, sont aimablement remerciés pour avoir fourni l'accès à l'installation d'analyse par la subvention n° (159271/MG8) de l'Université de Kashan et le conseil de la Fondation nationale iranienne des sciences (INSF) par Grant No. (97017837)."

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Réimpressions et autorisations

Ghiyasiyan-Arani, M., Salavati-Niasari, M. Décoration de S, N-GQD et CoFe2O4 synthétisés verts sur de la nanoargile halloysite comme substrat naturel pour une application de stockage électrochimique d'hydrogène. Sci Rep 12, 8103 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12321-2

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Reçu : 25 novembre 2021

Accepté : 03 mars 2022

Publié: 16 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-12321-2

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