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Jun 15, 2023

Decoración de verde sintetizado S, N

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8103 (2022) Citar este artículo

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Una corrección del autor de este artículo se publicó el 2 de agosto de 2022

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Los nanotubos de haloisita (HNT) con sitios altamente activos se utilizan como soportes minerales en capas naturales. Los puntos cuánticos de grafeno (S, N-GQD) co ​​dopados con azufre y nitrógeno como aditivo conductor y CoFe2O4 como electrocatalizador se decoraron en un soporte HNT para diseñar un material activo eficaz y respetuoso con el medio ambiente. En este documento, se fabrica un nanocompuesto ecológico de CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs a través de un método hidrotermal verde para equipar los sitios de almacenamiento de hidrógeno desarrollados y para permitir el transporte de carga rápida para la utilización del almacenamiento de hidrógeno. La capacidad de almacenamiento de hidrógeno de los HNT puros fue de 300 mAhg−1 a una densidad de corriente de 1 mA después de 20 ciclos, mientras que la de los HNT recubiertos con S, N-GQD (S, N-GQD/HNT) fue de 466 mAhg−1 bajo condiciones idénticas. condiciones. También era concebible aumentar la capacidad de sorción de hidrógeno a través del procedimiento de desbordamiento mediante la interconexión de CoFe2O4 en la nanoarcilla de haloisita. La capacidad de almacenamiento de hidrógeno de los CoFe2O4/HNT fue de 450 mAhg−1, mientras que la de los nanocompuestos diseñados representativos de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT fue de 600 mAhg−1. La nano arcilla de haloisita y la haloisita tratada muestran potencial como materiales de electrodos para el almacenamiento de energía electroquímica en medios alcalinos; en particular, los nanocompuestos ternarios CoFe2O4/S, N-GQD/HNT demuestran un rendimiento de sorción de hidrógeno desarrollado en términos de presencia de aditivos conductores, fisisorción y mecanismos de desbordamiento.

Los minerales arcillosos han sido ampliamente explotados para expandir nanocompuestos funcionales, debido a la diversidad de estos silicatos para ensamblar varios tipos de especies activas en tamaño nanométrico1,2. En consecuencia, diferentes materiales, como nanopartículas, polímeros o componentes biológicos, pueden ensamblarse para crear nanoconstrucciones de interés muy diversas como nanocompuestos de arcilla para aplicaciones en almacenamiento de energía, reacciones catalíticas y sensores, entre otras demandas3,4.

Se han considerado varios informes para la aplicación de minerales arcillosos para aplicaciones de almacenamiento de energía en diferentes dispositivos de almacenamiento de energía, como membranas, electrolitos y electrodos. Los nanotubos de haloisita (HNT) son una arcilla tubular con detalles estructurales de 50 nm de diámetro, 600–900 nm de longitud y 15 nm para la luz interna5,6. Halloysite es un material distintivo que se construye enrollando láminas de caolín en nanotubos mesoporosos de paredes múltiples. La superficie de la haloisita está formada por alúmina (superficies del lumen) y sílice (otras superficies)7,8. Sus características sobresalientes incluyen construcción hueca, alta porosidad, características de superficie ajustables, bajo costo, funcionalización de superficie versátil y fácil preparación9,10,11,12,13. La modificación de la superficie de los nanotubos de halloysita se puede realizar en la superficie exterior o en el lumen interior. El tipo de estrategia de modificación de superficie a elegir puede depender del tipo de aplicación requerida. Estos agentes de modificación incluyen polímeros, nanopartículas, tensioactivos, acoplamiento organosilano, grabado ácido y compuestos de origen biológico14.

Las generaciones de energía y potencia son los temas básicos para gestionar la idoneidad de la sociedad industrial y la vida humana. Todas las acciones necesitan energía, incluidas la fabricación de productos, la refrigeración o el calentamiento de los edificios, la conducción y los sistemas motores de iluminación15. Actualmente, dependemos de originaciones de energía que no son renovables para cumplir con la mayoría de los requisitos de energía. Estas originaciones no renovables se están descargando rápidamente debido a su vasta operación16. Además, estas fuentes son una base fundamental para cambiar el clima porque estas combustiones fósiles liberan dióxido de carbono (CO2), que es absolutamente destructivo para el entorno17. Por lo tanto, la energía del hidrógeno puede ser la fuente más desafiante para los dispositivos de energía en el futuro18. El hidrógeno se identifica como una fuente de energía no tóxica y de bajo precio para usos estáticos y transferibles. El hidrógeno suministra energía reproducible después de la ignición19. Los científicos han considerado el hidrógeno como un combustible futuro alentador debido a sus características sustanciales. Estas características son, en abundancia en el mundo, una fuente de energía inmaculada y el combustible más ligero20,21.

Las propiedades del material de los electrodos son cruciales para el rendimiento del almacenamiento de energía de los dispositivos de almacenamiento. Ha sido bien señalado que los materiales de electrodos nanoestructurados pueden mejorar la capacidad y la estabilidad del ciclo de los dispositivos de almacenamiento. El transporte de masa y la cinética de los electrodos se pueden elevar disminuyendo la ruta de transporte de carga y la distancia de difusión de iones. Además, la cooperación de varios mecanismos y procesos de almacenamiento puede promover el potencial de los materiales de electrodos para la adsorción de iones. En los materiales en capas, especialmente en los minerales arcillosos con estructuras únicas, puede ocurrir un mecanismo de desbordamiento al decorar materiales electrocatalizadores en sus superficies. Las moléculas de H2 adsorbidas en el electrocatalizador decorado migran a la superficie de los minerales arcillosos, y el hidrógeno puede transportarse de una superficie a otra superficie. Además, el diseño de puentes de carbono entre la fuente de disociación (electrocatalizador) y el receptor (arcilla) conduce a la difusión. Los puntos cuánticos de grafeno (GQD), como fuente de carbono funcional con propiedades fisicoquímicas distintivas, desempeñan un papel ideal en el proceso de almacenamiento de energía22,23. La presencia de GQD en la textura de los electrodos se ha informado en estudios previos para estudiar sistemas de almacenamiento de energía electroquímica, como baterías de iones de litio, baterías de Li-S y supercondensadores24,25,26,27,28. Los grupos de Yushan Liu volvieron a publicar la preparación de nanocompuestos HNT/RGO que proporcionaron un rendimiento superior como material de electrodo en supercondensadores29. Nanoensamblaje de puntos cuánticos de grafeno dopado con N anclados en nanotubos de Fe3O4/haloysita diseñados por Akhilesh BabuGanganboina et.al. para supercapacitor30 de alto rendimiento.

De acuerdo con la literatura mencionada, la nanoarcilla HNT, CoFe2O4 y S,N-GQDs fueron seleccionados como componentes soporte, electrocatalizador y receptor conductor, respectivamente. Por lo tanto, los nanocompuestos ternarios se diseñaron decorando CoFe2O4 y S, N-GQD en nanotubos de haloisita. El CoFe2O4 como óxido de metal de transición en la categoría de materiales de espinela ha sido ampliamente utilizado en sistemas de almacenamiento de energía electroquímica31,32. Los dispositivos electroquímicos de almacenamiento de energía experimentan reacciones redox de alta potencia, que almacenan cargas eléctricas en la superficie y en los poros de la estructura33. Los nanocompuestos ternarios de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT obtenidos se prepararon mediante un método hidrotermal verde con mecanismos de desbordamiento sinérgicos, procesos redox y adsorción física como posibles materiales de almacenamiento de hidrógeno. La decoración de la capa S, N-GQD como receptor conductor y las nanopartículas de CoFe2O4 como electrocatalizador en nanotubos de haloisita se investigó mediante análisis estructural de XRD, FE-SEM, TEM, FT-IR y EDS. Se compararon las capacidades electroquímicas de los compuestos resultantes para llegar a materiales de electrodos ideales en términos de función, mecanismo y rendimiento.

Los nanotubos de haloisita se investigaron en términos de morfología y pureza utilizando micrografías FE-SEM y difractogramas XRD. El diagrama esquemático del proceso de decoración de nanopartículas de S, N-GQD y CoFe2O4 en nanotubos de haloisita se presenta en la Fig. 1a-c. Además, el mecanismo para el proceso de almacenamiento de hidrógeno a través del derrame representado en la Fig. 1d y e. Como se muestra en la Fig. S1a yb, la estructura de la haloisita son nanotubos con diferentes longitudes34. Además, el difractograma XRD para HNT prístinos se muestra en la Fig. S1c, que confirma la estructura de Al2Si2O5 (OH)4 con un código de referencia de 29–1487. El pico a 2Ɵ = 25 grados está presente en la textura de los minerales de nanotubos de haloisita relacionados con SiO2 (JCPDS = 82-1554), que está disponible en materiales arcillosos35,36. Se estudió la pureza de las muestras de nanocompuestos de S, N-GQD y S, N-GQD/HNT puros tal como se fabricaron y se muestra en la Fig. 2a yb usando la técnica XRD. La figura 2a muestra un pico ancho de aproximadamente 15 a 25 grados de textura de carbono, lo que respalda la formación de puntos cuánticos de grafeno a partir del jugo de cebolla roja en el proceso hidrotermal. Además, la formación de S, N-GQD en el sustrato de nanotubos de haloisita se confirmó mediante la investigación del difractograma XRD en la Fig. 2b. La Figura 2b muestra simultáneamente los picos agudos de hidróxido de silicato de aluminio (29-1487) y sílice (82-1554) y un pico ancho de carbono (08-0415). Además, las figuras 3a y b ilustran los difractogramas XRD para CoFe2O4/HNT y CoFe2O4/S, N-GQD/HNT, respectivamente. La presencia de ferrita de cobalto con un sistema cristalino de nanotubos cúbicos (JCPDS = 02-1045) y haloisita está disponible en estos dos patrones XRD.

(a–c) Decoración de nanopartículas de S, N-GQD y CoFe2O4 en el sustrato HNT y (d, e) Mecanismo de desbordamiento de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT para el almacenamiento de hidrógeno.

Difractogramas XRD de (a) S prístinos, GQD dopados con N y (b) nanocompuestos S, N-GQD/HNT.

Difractogramas XRD de (a) nanocompuestos CoFe2O4/HNT y (b) CoFe2O4/S, N-GQD/HNT.

Las morfologías de las muestras diseñadas, como los nanocompuestos S, N-GQDs/HNTs, CoFe2O4/HNTs y CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs, se muestran en la Fig. 4 en diferentes aumentos de 1 µm y 200 nm. La Figura 4a yb muestra la cubierta de GQD en el nanotubo de arcilla Halloysita. La formación de nanopartículas CoFe2O4 en las estructuras HNT se muestra en la Fig. 4c y d y la creación de CoFe2O4 y S, N-GQD en el sustrato HNT se muestra en la Fig. 4e y f, lo que conduce a la formación de una cadena de partículas en el sustrato HNT. La figura 5a-d muestra imágenes TEM de nanocompuestos ternarios diseñados con varios aumentos. Las imágenes muestran claramente la decoración de nanopartículas de CoFe2O4 y S, N-GQD en el sustrato de nanotubos de haloisita. Los tres componentes de las estructuras HNT, S, N-GQD y CoFe2O4 se especifican en las imágenes TEM. Los nanotubos relacionados con las estructuras de haloisita y las partículas observadas se refieren a nanoestructuras de CoFe2O4. El espaciado d medido de 0,332 nm correlacionado con las franjas de la red de CoFe2O4 está indexado al espaciado de la red de (220) que se muestra en la Fig. 5d. Para explicar mejor el proceso de decoración de nanopartículas de S, N-GQD y CoFe2O4 en nanotubos de haloisita, se dibuja y presenta un diagrama esquemático en la Fig. 1a-c. Este esquema aclaró la función de síntesis paso a paso en detalle.

Micrografías FE-SEM de (a, b) S, N-GQDs/HNTs, (c, d) CoFe2O4/HNTs y (e, f) CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs nanocompuestos.

(a–d) Imágenes TEM de nanocompuestos CoFe2O4/S, N-GQD/HNT con diferentes aumentos.

El análisis FT-IR se aplicó para la detección de bandas químicas de muestras y se muestra en la Fig. 6a-d. La figura 6a–d muestra los espectros FT-IR de S, N-GQD puros prístinos, HNT puros, N, S-GQD/HNT y CoFe2O4/S, N-GQD/HNT. Como se ve en el espectro FT-IR de la arcilla HNT, los enlaces de estiramiento y flexión de Al2OH se ubicaron en 3695, 3621 y 911 cm−1, respectivamente. Los picos obtenidos en 753, 691 y 537 cm−1 están relacionados con los enlaces de flexión de Si-O-Al. Los enlaces a 1033 cm−1 se refieren a vibraciones Si–O y OH en las unidades de haloisita que aparecen a 791 cm−137,38. Las vibraciones de óxido de metal (465 y 539 cm−1) en ferrita de cobalto y haloisita se superponen entre sí. Los picos resultantes en 1385, 1614 y 2925 cm−1 representan los grupos funcionales de GQD, como =C–H, C–N, C=O, C–H y C–OH39. El análisis elemental de S, N-GQD prístinos y nanocompuestos de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT se muestra en la Fig. S2a yb utilizando la técnica EDS. La presencia de azufre y nitrógeno en el análisis EDS de GQD confirma la formación de puntos cuánticos de grafeno dopados con S y N. Además de S, N y C, la presencia de Al, Si, Co, Fe y O afirma la textura de los HNT y CoFe2O4 en los nanocompuestos ternarios.

Espectros FT-IR de (a) S, N-GQD prístinos, (b) HNT prístinos, (c) S, N-GQD/HNT y (d) nanocompuestos CoFe2O4/S, N-GQD/HNT.

La composición química de la cebolla incluye varios ácidos carboxílicos, azúcares, etc. Se identificaron y cuantificaron siete ácidos orgánicos en muestras de cebolla como el ácido málico, ácido cítrico, ácido tartárico, ácido oxálico, ácido ascórbico, ácido succínico y ácido pirúvico. Además, se detectaron compuestos que contienen azufre y nitrógeno en el extracto de cebolla como azufre orgánico y aminoácidos. Estos compuestos consisten en 1-propanotiol, sulfuro de propileno, sulfuro de dimetilo, ácido aspártico, serina, etc.40,41.

El posible mecanismo de formación de GQD a partir de los ácidos orgánicos se explicó a continuación; los ácidos orgánicos como el ácido tartárico o los ácidos ascórbicos cuando se calientan a su temperatura de fusión se descomponen y el ion hidronio formado a partir del ácido actúa como catalizador en las etapas de reacción de descomposición posteriores. El camino significativo en el mecanismo fue que la condensación y la cicloadición seguida por la formación de aromatización y grupos aromáticos. Durante la pirólisis, las moléculas de ácido deshidratadas adyacentes reaccionaron entre sí para formar GQD y los grupos funcionales ubicados en el borde de cada GQD actúan como una capa de pasivación en la superficie42. Además, la presencia de una fuente de azufre o nitrógeno junto con fuentes de carbono conduce a la formación de GQD dopadas con S, N. Los compuestos de tiamina o ácido pantoténico del extracto de cebolla parecen ser los responsables de dopar el S o el N en las estructuras de las GQD43.

Las especificaciones de superficie se determinaron mediante el método BET para comparar los datos de superficie de HNT prístinos y nanocompuestos representativos de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT. La caracterización de la superficie en términos de área superficial específica y porosidad es un factor esencial para la adsorción e inserción de iones en la superficie o en los poros. Por lo tanto, los datos resultantes pueden actuar como propiedades importantes para los materiales de almacenamiento de energía. Como se ve en la Fig. S3a y c, se puede determinar una isoterma de tipo IV típica para dos gráficos BET. Las isotermas obtenidas tienen bucle de histéresis H3. La isoterma de tipo IV está definida para los materiales por estructuras mesoporosas44. El área de superficie específica, el volumen de poro total y el diámetro de poro promedio para los HNT prístinos y los nanocompuestos de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT se resumen en la Tabla S1. La distribución del tamaño de poro para las muestras se muestra en la Fig. S3b y d. La distribución del tamaño de poro para los HNT prístinos muestra una distribución amplia del tamaño de poro en el rango de 1 a 55 nm con un máximo alrededor de los poros de 2 nm de diámetro (Fig. S3b). Como se muestra en la Fig. S3d, la distribución del tamaño de los poros para los nanocompuestos CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs en el rango de 1–45 nm presenta el máximo alrededor de los poros de 40 nm. De acuerdo con los datos del área de superficie específica, al decorar nanopartículas de CoFe2O4 y S, N-GQD en arcilla de haloisita, la superficie de haloisita disminuye debido a que los componentes CoFe2O4 y S, N-GQD cubren la superficie de los HNT.

La capacidad de almacenamiento electroquímico de hidrógeno (EHS) es un criterio apropiado para comparar el comportamiento de los materiales activos en el electrodo de trabajo para la sorción de hidrógeno mediante la técnica de cronopotenciometría (CP) de carga-descarga. Para verificar este criterio, los materiales activos diseñados en el sustrato de los HNT se examinaron en términos de capacidad de almacenamiento de hidrógeno frente a los HNT prístinos. Los perfiles de descarga para las muestras diseñadas de CoFe2O4/HNT, S, N-GQD/HNT y CoFe2O4/S, N-GQD/HNT se presentan en la Fig. 7b–d, respectivamente. Como se ve en la Fig. 7a, el perfil de descarga de los HNT prístinos expresa una capacidad de descarga de 300 mAhg-1 después de 20 ciclos a una densidad de corriente de 1 mA. La presencia de CoFe2O4 en la superficie de los nanotubos de haloisita puede aumentar la capacidad de los HNT a 450 mAhg−1 debido a la tarea electrocatalítica de CoFe2O4 en el mecanismo de desbordamiento de los nanotubos de arcilla. Además, los compuestos S, N-GQD/HNT muestran una capacidad de descarga de 466 mAhg−1 después de 20 ciclos. El papel simultáneo de CoFe2O4 y S, N-GQD en la superficie de los HNT puede aumentar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno de los HNT a 600 mAhg−1 al aplicar una densidad de corriente de 1 mA en un electrolito de KOH 2 M.

Perfiles de descarga de (a) HNT prístinos, (b) CoFe2O4/HNT, (c) S, N-GQD/HNT, (d) CoFe2O4/S, N-GQD/HNT nanocompuestos y (e) voltamperometría cíclica comparativa (CV) curva para nanocompuestos HNT prístinos y CoFe2O4/S, N-GQD/HNT.

El papel del derrame de hidrógeno en la mejora de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno aún es discutible debido a la falta de comprensión del mecanismo exacto y los resultados contrarios en las características de absorción de hidrógeno. El desbordamiento es la disociación de las moléculas de hidrógeno en átomos por los metales de transición y la posterior difusión de estos átomos al material huésped, en el que los átomos de hidrógeno pueden hidrogenar los enlaces C-C insaturados (es decir, carbón activado, grafito y nanotubos de carbono de pared simple) o el anillo de benceno (es decir, MOF, COF y polímeros). Entre los diversos pasos del desbordamiento, la disociación de las moléculas de hidrógeno y la difusión de los átomos de hidrógeno se consideran instantáneas y sin barreras, respectivamente; sin embargo, los átomos de hidrógeno deben superar las barreras de alta energía para la migración al material huésped, lo que hace que la migración sea el paso limitante de la velocidad. Por lo tanto, es deseable un agrupamiento mínimo y una dispersión a nivel molecular fino de los metales de transición dentro del material huésped para que la ruta de migración sea lo más corta posible45. El desbordamiento es un mecanismo concebible en los sistemas de sorción de hidrógeno que comprenden electrocatalizadores para disociar H2 en átomos de H. En el concepto de desbordamiento, el hidrógeno adsorbido en el electrocatalizador migra a la superficie de materiales de soporte como el carbono o estructuras en capas como el grafito o la arcilla, y el hidrógeno puede transportarse de una superficie a otra superficie. Los procesos de desbordamiento ocurren en los compuestos CoFe2O4/HNT y CoFe2O4/S, N-GQD/HNT cuando el hidrógeno se adsorbe en los nanoelectrocatalizadores de CoFe2O4 y se produce el desbordamiento en dos pasos. El derrame primario ocurre a través del transporte de hidrógeno atómico desde la nanopartícula electrocatalizadora al soporte, y el derrame secundario ocurre a través del transporte de hidrógeno al receptor (HNT). El procedimiento de difusión es obligatorio para el derrame secundario46. Por lo tanto, la formación de puentes de carbono (S, N-GQD) entre la fuente de disociación (CoFe2O4) y el receptor (HNT) conduce a la difusión. Se comprobó el derrame secundario para desarrollar la capacidad de almacenamiento de hidrógeno al mezclar el adsorbente con un catalizador que es capaz de disociar el hidrógeno47,48. El mecanismo de desbordamiento explicado en los nanocompuestos CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs se muestra en detalle en las Fig. 1d y e.

Además del papel del puente de carbono de S, N-GQD en el mecanismo de desbordamiento, la capacidad de sorción de hidrógeno en presencia de GQD dopados codopados (CoFe2O4/S, N-GQD/HNT) es mejor que la de CoFe2O4/HNT. Debido a que la transferencia de electrones en los electrodos basados ​​en S, N-GQD es adecuadamente rápida. La formación de S, N-GQD en los electrodos puede alterar la capacidad de descarga debido a las numerosas áreas de borde producidas por S, N-GQD de pequeño tamaño y la adecuada conductividad correlacionada con las estructuras de enlace CoFe2O4. La alta eficiencia de CoFe2O4/S, N-GQDs/HNTs puede dilucidarse debido a los estados de trampa formados tanto por dopantes como por estados de borde, que pueden adsorber portadores de carga para aumentar la capacidad de almacenamiento. La densidad electrónica de las capas de grafeno se puede modificar mediante el dopaje mediante especies aceptoras de electrones o donantes de electrones. El azufre o el nitrógeno como heteroátomos en la estructura del grafeno se pueden reemplazar con átomos de carbono. Por lo tanto, se produce la migración de electrones, lo que conduce a la creación de electrones y huecos. Esta estructura se altera con los S, N-GQD cooperantes y juega un papel importante en los sistemas electroquímicos y electrocatalizadores para aplicaciones de almacenamiento de energía22,49. Además, el nitrógeno como átomo donante con la capacidad de modificar electrónicamente el grafeno puede mejorar los comportamientos de conductividad y catálisis de las estructuras de grafeno50,51.

El funcionamiento de la sorción de hidrógeno en óxidos metálicos se sitúa a través de la fisisorción. El H+ producido a partir del electrolito acuoso se adsorbe en la superficie del óxido metálico (proceso de carga). Durante la ruta de descarga, el H2 migra del electrodo de trabajo en circunstancias alcalinas y se convierte nuevamente en agua mientras libera un electrón. En el siguiente paso, el hidrógeno adsorbido en el electrocatalizador de óxidos metálicos migra de las nanopartículas a la superficie del soporte de carbono, y el hidrógeno puede transportarse de una superficie a otra superficie52.

En realidad, el proceso de Heyrovsky ocurrió debido a la adecuada actividad electrocatalítica de las nanopartículas de CoFe2O4 sintetizadas53. El efecto sinérgico de Tafel [Eq. (2)]54 y Heyrovsky [Ec. (3)] ​​conduce al almacenamiento de hidrógeno en los materiales activos.

De acuerdo con la Ec. (4), el electrolito de KOH se disoció y los iones de OH− y H+ se produjeron durante la dirección de carga. A continuación, el H+ producido migra al electrodo de trabajo. En la reacción catódica, el H+ se adsorbe en la superficie de los materiales activos. Durante un proceso de oxidación y reacción anódica, el mecanismo de carga se realizó en los contraelectrodos (Pt). Durante la dirección de descarga, el H2 almacenado en el electrodo de trabajo migra liberando un electrón en circunstancias alcalinas y se vuelve a producir agua. El Fe3+ como ion metálico central se reduce a Fe2+ [Eq. (5)]. Finalmente, el H+ adsorbente puede equilibrar la carga total de CoFe2O4. Los enlaces Fe-H creados en términos de construcción favorecieron la formación de iones OH− con una reducción del par redox de Fe3+/Fe2+.

La técnica electroanalítica de voltamperometría cíclica (CV) se empleó habitualmente para el estudio comparativo de los atributos del material de los electrodos. Se pueden proporcionar conocimientos científicos fascinantes y efectivos al asociar los atributos del material, como la estructura y la morfología, con su respuesta electroquímica. CV investigó la respuesta electroquímica de los HNT decorados con CoFe2O4 y GQD para compararlos con los HNT prístinos. La Figura 7e muestra las curvas de CV para los HNT prístinos y los nanocompuestos representativos de CoFe2O4/S, N-GQD/HNT en una región potencial de − 1,1 a − 0,2 V. La respuesta del electrodo (picos anódicos y catódicos) para todas las muestras se enumera en Tabla S2. Los nanocompuestos CoFe2O4/S, N-GQDs/HNT expresan una mejor respuesta del electrodo que los HNT prístinos. Es fascinante notar que cubrir S, N-GQD en estructuras HNT modifica los atributos electroquímicos de los materiales de electrodos fabricados para aplicaciones de almacenamiento de energía. Además, CoFe2O4 como electrocatalizador puede mejorar el mecanismo de almacenamiento de energía, que es compatible con los resultados de carga-descarga de la cronopotenciometría.

La nanoarcilla de haloisita como sustrato único muestra propiedades favorables en términos de adsorción de hidrógeno mediante la incorporación de mecanismos de fisisorción y derrame. Los puntos cuánticos de grafeno co-dopados con azufre y nitrógeno sintetizados verdes como componentes conductores y las nanopartículas de ferrita de cobalto como electrocatalizador se decoraron en el sustrato de haloisita. La morfología y la pureza de los nanocompuestos ternarios diseñados confirman la presencia de CoFe2O4 y S, N-GQD en el sustrato de HNT. La haloisita y la haloisita tratada muestran una capacidad de almacenamiento de hidrógeno de 300 y 600 mAhg−1 entre sí en el electrolito 2 M KOH después de 20 ciclos a una corriente de 1 mA mediante el método de cronopotenciometría de carga/descarga. Como resultado, los nanocompuestos fabricados de CoFe2O4/S, N-GQS/HNT proporcionan un proceso sencillo para el plan reflexivo de compuestos potenciales para dispositivos de almacenamiento de energía.

Los precursores químicos y los materiales de partida utilizados en el proceso de síntesis de las muestras, incluidos los nanotubos de haloisita (HNT), FeCl3·6H2O, Co(CH3CO2)2·4H2O, CTAB y NaOH, se compraron a una empresa de Merck y se aplicaron sin más purificación. Los difractogramas XRD se registraron mediante un dispositivo de difractómetro de rayos X usando radiación Cu Ka filtrada con Ni (Philips-X'pertpro). Los espectros FT-IR se obtuvieron en un espectrómetro Nicolet Magna-550 en gránulos de KBr. Las micrografías SEM se obtuvieron en un LEO-1455VP equipado con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía. Se realizó un análisis EDS con un voltaje acelerado de 20 kV. Las imágenes TEM se capturaron en un microscopio electrónico de transmisión Philips EM208 con un voltaje de aceleración de 200 kV. El análisis BET se realizó a -196 °C utilizando un analizador de adsorción de gas automatizado (Tristar 3000, Micromeritics). La distribución del tamaño de poro se midió aplicando la rama de desorción de la isoterma en el método BJH.

La cebolla roja fue seleccionada como fuente verde para la síntesis de puntos cuánticos de grafeno mediante un procedimiento hidrotermal. Para utilizar el extracto de cebolla, se exprimió la cebolla roja fresca y se filtró el jugo de cebolla de las pulpas. El jugo de cebolla roja se filtró nuevamente y se transfirió a un autoclave sellado de 50 ml y se calentó durante 8 h a 180 °C. El producto obtenido se filtró y la solución de GQD se separó de los polvos resultantes. La solución obtenida contiene una solución de GQD codificada en S,N.

Para sintetizar S, N-GQD en el sustrato de nanotubos de haloisita, se dispersaron 0,2 g de HNT en 50 ml de jugo de cebolla roja diluido usando un baño ultrasónico. La mezcla preparada se transfirió a un autoclave sellado y se calentó durante 8 h a 180 °C. Finalmente, los productos resultantes de S, N-GQDs/HNTs se secaron durante 24 h a 80 °C en una estufa de vacío.

Los polvos de S, N-GQD/HNT proporcionados en "Detalles electroquímicos" se utilizaron como sustratos para la síntesis de nanopartículas de CoFe2O4. S (0,02 g), polvos de N-GQD/HNT dispersos ultrasónicamente en agua desionizada. Luego, la solución mixta comprende 0,13 g de FeCl3·6H2O, 0,10 g de Co(CH3CO2)2·4H2O y 0,13 g de CTAB en agua DI preparada y añadida a la solución dispersa de S, N-GQDs/HNTs. El pH de la mezcla proporcionada se ajustó a 11 utilizando NaOH y se agitó durante 20 min. Finalmente, la mezcla resultante se transfirió a un autoclave sellado y se calentó durante 15 ha 150 °C. El CoFe2O4 preparado sobre el sustrato de S, N-GQDs/HNTs se centrifugó y se secó a 60 °C en un horno.

Las células recolectadas poseían el material de electrodo resultante para el electrodo de trabajo, placa de platino como contraelectrodo, Ag/AgCl como electrodo de referencia y KOH en agua DI como electrolito. El electrodo de trabajo se diseñó recubriendo los materiales sintetizados sobre el sustrato de cobre. En las celdas de tres electrodos, es necesario calcular los cambios de potencial del electrodo de trabajo, por lo que este cambio se estudia con respecto a un electrodo de referencia (un electrodo potencialmente definido). Estos electrodos brindan la posibilidad de especificar el potencial del electrodo de trabajo proporcionando un potencial constante y repetible. Los electrodos Ag/AgCl son los electrodos de referencia más utilizados en este sistema55. Estos sustratos de cobre resultantes se aplicaron como electrodos de trabajo en celdas de almacenamiento de hidrógeno de tres electrodos. Se realizaron investigaciones de carga-descarga galvanostática en el dispositivo de prueba SAMA 500 a las densidades de corriente deseadas. Los experimentos de voltamograma cíclico para los electrodos obtenidos se realizaron en células recolectadas de manera similar a una velocidad de exploración de 0,10 Vs−1.

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17519-y

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Se agradece amablemente al profesor Masoud Salavati-Niasari y a los coautores del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Kashan, IRÁN, por brindar acceso a las instalaciones de análisis mediante la subvención n.º (159271/MG8) de la Universidad de Kashan y el consejo de Fundación Nacional de Ciencias de Irán (INSF) por Grant No. (97017837).

Instituto de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad de Kashan, PO Box. 87317-51167, Kashan, República Islámica de Irán

Maryam Ghiyasian-Arani y Masoud Salavati-Niasari

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MSN y MGA concibieron la idea. MGA realizó los experimentos, caracterizó los productos y escribió el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Maryam Ghiyasian-Arani o Masoud Salavati-Niasari.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

La versión original en línea de este Artículo fue revisada: En la versión original de este Artículo, Masoud Salavati-Niasari fue omitido como autor correspondiente. La correspondencia y las solicitudes de materiales también deben enviarse a [email protected]. Además, la versión original de este Artículo contenía un error en la sección de Agradecimientos. "Se agradece amablemente al profesor Masoud Salavati-Niasari y a los coautores del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Kashan, IRÁN, por proporcionar acceso a las instalaciones de análisis mediante la subvención n.º 97014327 de la Universidad de Kashan y el consejo de Ciencias Nacionales de Irán. Fundación (INSF) por Subsidio N° 99019327.” ahora dice: "El profesor Masoud Salavati-Niasari y los coautores del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Kashan, IRÁN, reciben un amable reconocimiento por brindar acceso a las instalaciones de análisis mediante la subvención n.° (159271/MG8) de la Universidad de Kashan y el consejo de la Fundación Nacional de Ciencias de Irán (INSF) por Grant No. (97017837)".

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Reimpresiones y permisos

Ghiyasiyan-Arani, M., Salavati-Niasari, M. Decoración de S, N-GQD y CoFe2O4 sintetizados verdes en nanoarcilla de haloisita como sustrato natural para la aplicación de almacenamiento de hidrógeno electroquímico. Informe científico 12, 8103 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12321-2

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Recibido: 25 noviembre 2021

Aceptado: 03 de marzo de 2022

Publicado: 16 mayo 2022

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

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