Хімія, фізика та технологія поверхні, 2021, 12 (2), 135-143.

Синтез і каталітичні властивості азотовмісних вуглецевих нанотрубок



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.135

Yu. I. Sementsov, O. A. Cherniuk, S. V. Zhuravskyi, Wang Bo, K. V. Voitko, O. M. Bakalinska, M. T. Kartel

Анотація


Азотовмісні вуглецеві нанотрубки (ВНТ) синтезували CVD-методом на оксидних каталізаторах                Al-Fe-Mo-O, додаючи в джерело вуглецю (пропілен) ацетонітрил або етилендіамін, або повністю його заміщуючи, а також просочуючи сечовиною вихідні ВНТ з подальшою термообробкою. Структура азотовмісних ВНТ характеризувалась методом комбінаційного розсіяння світла (КРС), трансмісійної мікроскопії (ТЕМ), диференціального термічного й гравіметричного аналізу (ДТА, ДТГ) і рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС). Встановлено вплив методу синтезу на кількість та хімічний стан гетероатомів азоту в структурі вуглецевої матриці. За результатами ТЕМ, азотовмісні ВНТ мають характерну бамбукоподібну структуру, що є менш досконалою в порівнянні з структурою вихідних ВНТ: характерні смуги (G i D) КРС зміщені в область вищих частот, збільшується їхня напівширина та інтенсивність смуги D відносно G. Це також проявляється в меншій термічній стійкості азотовмісних ВНТ. За даними РФЕС, при безпосередньому синтезі азотовмісних ВНТ збільшується загальний вміст атомів азоту й частка пірольного та четвертинного на тлі значного зменшення кількості піридинової форми. Це можна пояснити тим, що азот рівномірно розподіляється по всьому об’єму вуглецевої матриці ВНТ, а під час азотування ВНТ сечовиною азот включається переважно в поверхневі шари та на дефектах, оскільки піридинова форма характерна для крайового розташування атома азоту в площині графену. Розглядається каталітичний вплив багатошарових азотовмісних ВНТ на кінетику розкладання перекису водню у водних розчинах при різних значеннях рН. Зроблено висновок, що метод прямого синтезу азотoвмісних ВНТ дозволяє отримати більш каталітично активні вуглецеві нанотрубки, що містять більшу кількість азоту, переважно пірольного та четвертинного типу. Також встановлено, що незалежно від методу синтезу максимальна каталітична активність при розкладанні перекису водню спостерігається при рН 7.


Ключові слова


азотовмісні вуглецеві нанотрубки; каталіз; перекис водню

Посилання


Brzhezinskaya M.M., Baitinger E.M., Belenkov E.A., Svirskaya L.M. Defect electron states in carbon nanotubes and graphite from the NEXAFS spectroscopy data. 2013. Phys. Solid State. 55(4): 850.

Dang Sheng Su, Perathoner S., Centi G. Nanocarbons for the development of advanced catalysts. 2013. Chem. Rev. 113(8): 5782.

Voitko K., Tóth A., Demianenko E., Dobos G., Berke B., Bakalinska O., Grebenyuk A., Tombácz E., Kuts V., Tarasenko Yu., Kartel M., László K. Catalytic performance of carbon nanotubes in H2O2 decomposition: Experimental and quantum chemical study. J. Colloid Interface Sci. 2015. 437: 283.

Huang Z., Liao Z., Yang W., Zhou H., Fu C., Gong Y., Chen L., Kuang Y. Different types of nitrogen species in nitrogen-doped carbon material: The formation mechanism and catalytic role on oxygen reduction reaction. 2017. Electrochim. Acta. 245: 957.

Maiyalagan T., Maheswari S., Saji V.S. Electrocatalysis for Low Temperature Fuel Cells: Fundamentals and Recent Trends. (Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co., 2017).

Zhuravsky S.V., Kartel M.T., Tarasenko Yu.O., Villar-Rodil S., Dobos G., Toth A., Tuscon J., Laszlo K. N-containing carbons from styrene-divinylbenzene copolymer by urea treatment. Appl. Surf. Sci. 2012. 258(7): 2410.

Ratso S., Kruusenberg I., Joost U., Saar R. Enhanced oxygen reduction reaction activity of nitrogen-doped graphene/multi-walled carbon nanotube catalysts in alkaline media. Int. J. Hydrogen Energy. 2016. 41(47): 22510.

Wei Q., Tong X., Zhang G., Qiao J., Gong Q., Sun Sh. Nitrogen-doped carbon nanotube and graphene materials for oxygen reduction reactions. Catalysts. 2015. 5(3): 1574.

Arrigo R., Hävecker M., Wrabetz S., Blume R., Lerch M., McGregor J., Parrott E.P.J., Zeitler J.A., Gladden L.F., Knop-Gericke A., Schlögl R., Su D.Sh. Tuning the acid/base properties of nanocarbons by functionalization via amination. J. Amer. Chem. Soc. 2010. 132(28): 9616.

Wepasnick K.A., Smith B.A., Bitter J.L., Fairbrother D.H. Chemical and structural characterization of carbon nanotube surfaces. Anal. Bioanal. Chem. 2010. 396(3): 1003.

Lin He., Weniger F., Neumann H., Beller M. Synthesis, characterization, and application of metal nanoparticles supported on nitrogen-doped carbon: catalysis beyond electrochemistry. Angew. Chem. 2016. 55(41): 12582.

Van Dommele S., Romero-Izquierdo A., Brydson R., Jong K.P.De, Bitter J.H., van Dommele S., Romero-Izquirdo A., Brydson R., de Jong K.P., Bitter J.H. Tuning nitrogen functionalities in catalytically grown nitrogen-containing carbon nanotubes. Carbon. 2008. 46(1): 138.

Melezhik A.V., Sementsov Yu.I., Yanchenko V.V. Synthesis of fine carbon nanotubes on coprecipitated metal oxide catalysts. Russ. J. Appl. Chem. 2005. 78(6): 917.

Sementsov Yu., Cherniuk O., Dovbeshko G., Zhuravskyi S., Makhno S., Bo Wang, Kartel M. Glass-reinforced plastic filled by multiwall carbon nanotubes and their modified forms. J. Mater. Sci. Chem. Eng. 2019. 7(7): 26.

Sementsov Yu.I. Formation of structure and properties of sp2-carbon nanomaterials and functional composites with their participation. (Kyiv: Interservis, 2019). [in Ukrainian].

Podyacheva O.Yu., Cherepanova S.V., Romanenko A.I., Kibisa L.S., Svintsitskiy D.A., Boronin A.I., Stonkus O.A., Suboch A.N., Puzynin A.V., Ismagilo Z.R. Nitrogen doped carbon nanotubes and nanofibers: Composition, structure, electrical conductivity and capacity properties. Carbon. 2017. 122: 475.

Xu E., Wei J., Wang K., Li Zh., Gui X., Jia Y., Zhu H., Wu D. Doped carbon nanotube array with a gradient of nitrogen concentration. Carbon. 2010. 48(11): 3097.

Dommele S., Romero-Izquirdo A., Brydson R., De Jong K.P., Bitter J.H. Tuning nitrogen functionalities in catalytically grown nitrogen-containing carbon nanotubes. Carbon. 2008. 46(1): 138.

Voitko K.V., Haliarnyk D.M., Bakalinska O.M., Kartel M.T. Factors determining the catalytic activity of multi-walled carbon nanotubes in the decomposition of diacyl peroxides in non-aqueous media (DPDec). Catal. Lett. 2017. 147(8): 1966.




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp12.02.135

Copyright (©) 2021 Yu. I. Sementsov, O. A. Cherniuk, S. V. Zhuravskyi, Wang Bo, K. V. Voitko, O. M. Bakalinska, M. T. Kartel

 CC By Creative Commons "Attribution" 4.0