A novel bio-organized metal-carbon composite for electrocatalysis

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-05-08
Department
Major/Subject
Functional Materials
Mcode
CHEM3025
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
83+10
Series
Abstract
As the world faces an energy crunch, finding low-cost materials for electrocatalysis is becoming ever desirable. Traditional electrocatalysts are produced using scarce and precious metals such as palladium and platinum. For this, we propose a green chemistry mechanism to produce a novel bio-organized metal-carbon composite to alternate the traditional electrocatalysts. The composite is synthesizable from earth abundant metals such as nickel and iron. The starting point featured a low-cost commerical silk, Bombyx Mori, cocoon. This silk exhibits exciting properties for a wide range of applications. It can provide a platform, a matrix if you will, to bind metal ions from aqueous solutions. The binding reaction was done in ambient conditions per green chemistry. Degumming, the removal of the sericin protein, from the silk matrix is a common step when it comes to production of silk-based materials. The sericin is removed in alkaline conditions under constant heating. The intact silk cocoon and degummed silk were compared as the starting material: their ability to bind metal ions from aqueous solutions. The absence of the degumming processing step provides more sustainable approach to the synthesis by minimizing energy consumption and removing the need for harsh chemicals. The silk acts as a low-cost precursor for inorganic carbon matrix. The silk protein matrix was pyrolyzed at 800 C under an argon atmosphere in order to produce a carbon composite. Raman spectroscopy signaled a graphitic carbon structure of the composite. The metal-polymer interaction prior to the pyrolysis was analyzed with Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). The carbon structure, post-pyrolysis, and its morphologies were examined with Scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. While the functionalization of the carbon matrix with the metals was analyzed with FTIR, XRD, and Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). In order to synthesize a composite with the electrocatalytic activity, three sets of samples were produced: monovalent nickel metal-carbon composite, divalent iron-nickel metal-carbon system, and multivalent perovskite oxide-carbon composite. The target catalytic reaction was oxygen evolution reaction (OER). The results suggest that a low-cost carbon matrix OER electrocatalyst can be synthesized utilizing green chemistry. Nickel-carbon composite demonstrated a high catalytic activity.

Energia tarpeen kasvaessa ympäri maailmaa on yhä tärkeämpää kehittää matalahintaisia elektrokatalyyttisia materiaaleja. Perinteisesti elektrokatalyyttejä valmistettaan käyttämällä kailliita ja vaikeasti saatavilla olevia metalleja kuten palladiumia ja platinaa. Esitämme vihreän kemian menetelmän valmistaa uusi bio-organisoitu metalli-hiilikomposiitti materiaali elektrokatalyysiä varten. Komposiitti on syntetisoitavissa käyttäen runsaasti saatavilla olevia metalleja kuten nikkeliä ja rautaa. Lähtömateriaalina toimi edullinen Bombyx mori silkki. Tällä silkillä on erinomaisia ominaisuuksia, jotka ovat hyöydyllisiä moniin käyttötarkoituksiin. Silkki voi tarjota alustan, matriisin, metalli-ionien sitomiseen vesiliuoksista. Tämä sitomisreaktio suoritettiin ympäristöolosuhteissa vihreän kemian mukaisesti. Serisiini-proteiini poistaminen silkkimatriisista on yleinen käsittelymenetelmä silkkimateriaalien tuotantoketjussa. Serisiini poistetaan emäksisissä olosuhteissa käyttäen jatkuvaa lämmitystä. Tämän menetelmän poistaminen tekesi prosessista ympäristöystävällisemmän minimoimalla energiakulutuksen ja poistamalla tarpeen ankarille kemikaaleille. Silkkimatriisia ja puhdistettua silkkiä verrattiin lähtömateriaaleina: niiden kykyä sitoa metalli-ioneja vesiliuoksista. Silkkiä käytettiin epäorgaanisen hiilimatriisin lähtömateriaalina. Silkki proteiinimatriisi pyrolisoitiin 800 asteen lämpötilassa argon kaasussa tuottaaksemme hiili-komposiitin. Raman spektrosopia osoitti, että tuotteena saatiin grafiittista hiiltä sisältävä komposiitti. Metalli-polymeeri vuorovaikutusta ennen pyrolyysia analysoitiin käyttäen Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) ja X-ray diffraction (XRD) –menetelmiä. Hiilirakenneta pyrolyysin jalkeen analysoitiin käyttäen Scanning electron microscopy (SEM) ja Raman spectroscopy -menetelmiä. Raskasmetallien tarjomia toiminnallisuuksia analysoitiin käyttäen FTIR, XRD ja Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) -menetelmiä. Kolme eri näyte-erää valmistettiin: monovalenssinen nikkeli-hiili komposiitti, bivalenssinen rauta-nikkeli-hiili komposiitti ja monovalenssinen perovskiitti oksidi-hiili komposiitti. Kohdereaktiona toimi oxygen evolution -reaktio (OER). Tuloksien perusteella voidaan todeta, että vihreän kemian keinoin on mahdollista syntesisoida edullinen hiilimatriisiin perustuva OER katalyytti. Nikkeli-hiili komposiitilla esiintyi korkeaa aktiviteettia katalyysireaktiossa.
Description
Supervisor
Elbahri, Mady
Thesis advisor
Soliman, Ahmed
Keywords
carbon, metal, composite, catalyst, OER, silk
Other note
Citation