Wysokoazotowe chitynowe materiały węglowe

• Autorzy: Ilnicka A. , Łukaszewicz J. P.

Identyfikatory

DOI

10.17512/ios.2016.2.4

Warianty tytułu

EN

Nitrogen-doped chitin carbon materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Otrzymywanie nowych wysokoazotowych materiałów węglowych cieszy się coraz większym zainteresowaniem, o czym świadczą liczne prace pojawiające się na przestrzeni ostatnich lat. Zainteresowanie tą grupą materiałów wynika z szerokiego pola ich zastosowań, m.in. w adsorpcji CO₂ lub w urządzeniach elektrochemicznych. Występowanie określonych grup funkcyjnych na powierzchni wysokoazotowych materiałów węglowych determinuje pole ich zastosowań. Nowe materiały węglowe zostały otrzymane poprzez zaproponowaną metodę aktywacji chemicznej, w której chityna i Na₂CO₃ były odpowiednio wykorzystane jako prekursor węglowy i czynnik aktywujący. Ponadto kilka próbek zsyntetyzowano z dodatkiem mocznika. Własności teksturalne i chemiczne porowatych węgli mogą być łatwo sterowane przez zmianę stosunku Na₂CO₃/chityna i temperatury aktywacji. Mikrostruktura i skład zostały gruntownie zbadane poprzez analizę elementarną, izotermy sorpcji azotu, rentgenowską spektroskopię oraz skaningową mikroskopię elektronową. Uzyskane węgle wykazują wysoko rozwiniętą porowatość i różne ilości azotu, zależne od warunków prowadzonego procesu. Stwierdzono, że temperatura pirolizy ma znaczący wpływ na strukturę porów, skład pierwiastkowy i konfigurację chemiczną. Temperatura pirolizy od 600 do 900°C wpływa na powierzchnię właściwą i zawartość azotu w węglu aktywowanym. Mikropory stanowią dominującą formę w całkowitej objętości porów. Ze względu na dużą objętość porów, dobrze określoną mikroporowatość i wysoką zawartość azotu (9,87% wag.) te porowate węgle mogą być przykładowo stosowane jako materiał elektrodowy w reakcji redukcji tlenu.

EN

The large-scale practical application of fuel cells will be difficult to realize if the expensive platinum-based electrocatalysts for oxygen reduction reactions (ORRs) cannot be replaced by other efficient, low-cost, and stable electrodes. This paper concerns nitrogencontaining carbon materials which can act as a metal-free potential new electrode material. Nitrogen-doped microporous carbons were fabricated by an original simple chemical activation method in which chitin and Na₂CO₃ were employed as the carbon precursor and activation agent, respectively. In addition, a couple of samples were synthesized with urea. The textural and chemical properties of the porous carbons could be easily controlled by changing the Na₂CO₃/chitin ratio and activation temperature. The microstructure and composition were extensively investigated by the elemental analysis, low temperature nitrogen sorption, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning electron microscopy. The resulting carbons show well-developed porosity and different amounts of nitrogen, depending on preparation conditions. It is found that the pyrolysis temperature yielded a considerable effect on the pore structure, elemental composition, and chemical configuration. Microporosity was the main contributor to the total pore volume for all carbons. Due to high pore volume, well-suited porosity and high nitrogen content (9.87 wt.%), these porous carbons may be applied as electrode material for oxygen reduction reaction. The presented exceptional features such as simple and convenient preparation procedure, easily obtained raw materials (chitin), and low cost, makes that new nitrogen-doped activated carbons are promising materials for microbial fuel cells.

Słowa kluczowe

PL

surowiec naturalny; chityna; węgiel aktywowany; azot

EN

natural resources; chitin; activated carbon; nitrogen

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 19, nr 2
• Strony: 205--215
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz.

Twórcy

autor

Ilnicka A.

• Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Chemii, Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy, ul. J. Gagarina 7, 87-100 Toruń

autor

Łukaszewicz J. P.

• Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Chemii, Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy, ul. J. Gagarina 7, 87-100 Toruń

Bibliografia

• [1] Wang Z.L., Wu W., Nanotechnology-enabled energy harvesting for self-powered micro- /nanosystems, Angewandte Chemie International Edition 2012, 51, 11700-11721.
• [2] Wan K., Yu Z.-P., Liang Z.-X., Polyaniline-derived ordered mesoporous carbon as an efficient electrocatalyst for oxygen reduction reaction, Catalysts 2015, 5, 1034.
• [3] Wang S., Iyyamperumal E., Roy A., Xue Y., Yu D., Dai L., Vertically aligned BCN nanotubes as efficient metal-free electrocatalysts for the oxygen reduction reaction: A synergetic effect by co-doping with boron and nitrogen, Angewandte Chemie International Edition 2011, 50, 11756-11760.
• [4] Gong K., Du F., Xia Z., Durstock M., Dai L., Nitrogen-doped carbon nanotube arrays with high electrocatalytic activity for oxygen reduction, Science 2009, 323, 760-764.
• [5] Wang S., Zhang L., Xia Z., Roy A., Chang D.W., Baek J.-B., Dai L., BCN graphene as efficient metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction, Angewandte Chemie International Edition 2012, 51, 4209-4212.
• [6] Ahn Y., Ivanov I., Nagaiah T.C., Bordoloi A., Logan B.E., Mesoporous nitrogen-rich carbon materials as cathode catalysts in microbial fuel cells, Journal of Power Sources 2014, 269, 212-215.
• [7] Watson V.J., Nieto Delgado C., Logan B.E., Improvement of activated carbons as oxygen reduction catalysts in neutral solutions by ammonia gas treatment and their performance in microbial fuel cells, Journal of Power Sources 2013, 242, 756-761.
• [8] Wang H., Wang K., Song H., Li H., Ji S., Wang Z., Li S., Wang R., N-doped porous carbon material made from fish-bones and its highly electrocatalytic performance in the oxygen reduction reaction, RSC Advances 2015, 5, 48965-48970.
• [9] Schnepp Z., Zhang Y., Hollamby M.J., Pauw B.R., Tanaka M., Matsushita Y., Sakka Y., Dopedcarbon electrocatalysts with trimodal porosity from a homogeneous polypeptide gel, Journal of Materials Chemistry A 2013, 1, 13576-13581.
• [10] Nam G., Park J., Kim S.T., Shin D.-B., Park N., Kim Y., Lee J.-S., Cho J., Metal-free Ketjenblack incorporated nitrogen-doped carbon sheets derived from gelatin as oxygen reduction catalysts, Nano Letters 2014, 14, 1870-1876.
• [11] Kucinska A., Cyganiuk A., Lukaszewicz J.P., A microporous and high surface area active carbon obtained by the heat-treatment of chitosan, Carbon 2012, 50, 3098-3101.
• [12] Ilnicka A., Lukaszewicz J.P., Discussion remarks on the role of wood and chitin constituents during carbonization, Frontiers in Materials 2015, 2, 1-6.
• [13] Sing K.S.W., Everett D.H., Haul R.A.W., Moscou L., Pierotti R.A., Rouque´rol J., Siemieniewska T., Reporting physisorption data for gas/solid systems with special reference to the determination of surface area and porosity, Pure Appl. Chem. 1985, 57, 603-619.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.