Summary

Synthese van metalen nanodeeltjes ondersteund op koolstofnanobuis met gedopeerde co- en N-atomen en de katalytische toepassingen ervan bij waterstofproductie

Published: December 06, 2021
doi:

Summary

Hier presenteren we een protocol om co-nanodeeltjes te synthetiseren die worden ondersteund op koolstofnanobuisjes met co- en n-dopants voor waterstofproducties.

Abstract

Een methode voor gemakkelijke synthese van nanogestructureerde katalysatoren ondersteund op koolstofnanobuisjes met atomair gedispergeerd kobalt en stikstof dopant wordt hierin gepresenteerd. De nieuwe strategie is gebaseerd op een gemakkelijke eenpotpyrolysebehandeling van kobalt (II) acetylacetonate en stikstofrijke organische precursoren onder Ar-atmosfeer bij 800 ° C, resulterend in de vorming van Co- en N- co-gedopeerde koolstofnanobuis met regenwormachtige morfologie. De verkregen katalysator bleek een hoge dichtheid van defecte locaties te hebben, zoals bevestigd door Raman-spectroscopie. Hier werden kobalt (II) nanodeeltjes gestabiliseerd op de atomair gedispergeerde kobalt- en stikstof-gedopeerde koolstofnanobuisjes. De katalysator bleek effectief te zijn in de katalytische hydrolyse van ammoniakboraan, waarbij de omzetfrequentie 5,87 mol H2·mol Co-1·min-1 was, en de specifieke waterstofgeneratiesnelheid werd bepaald op 2447 ml H2·g Co-1·min-1. Een synergetische functie tussen het co-nanodeeltje en de gedopeerde koolstofnanobuisjes werd voor het eerst voorgesteld in de katalytische hydrolyse van ammoniakboraanreactie onder een milde conditie. De resulterende waterstofproductie met zijn hoge energiedichtheid en minimale tanktijd zou geschikt kunnen zijn voor toekomstige ontwikkeling als energiebronnen voor mobiele en stationaire toepassingen zoals wegwagens en vorkheftrucks in transport en logistiek.

Introduction

De ontwikkeling van goedkope en zeer efficiënte katalysatoren voor de productie van hernieuwbare energie blijft een van de meest kritieke en uitdagende problemen om de energiecrisis te verlichten. Het is echter verre van praktische toepassingen vanwege verschillende zorgen, zoals grootschalige productiemethoden met betrouwbare prestaties, hoge productiekosten en langdurige stabiliteit om de levensduur van katalysatoren te verlengen. Industriële sectoren, zoals transport en logistiek, vereisen energieproductie voor voertuigen en apparatuur met lange bedrijfsuren, krachtige energievoorziening en minimale tanktijd om efficiënte activiteiten te bereiken 1,2,3. Daarom zijn effectieve strategieën op grote schaal benut om de bovenstaande technische uitdagingen aan te pakken. Bijvoorbeeld door de elektronische structuur van de metaalactieve locaties en katalysatorsteunen te reguleren, de specifieke architectuur van de metalen nanokatalysatoren te ontwerpen, metaalsamenstellingen te verfijnen, functionele groepsmodificatie van verankerde ondersteuning en de morfologie te variëren om het aantal intrinsieke actieve sites te vergroten. In de afgelopen decennia hebben nanodeeltjes (NP’s) de velden van verschillende heterogene katalyse gedomineerd en de katalytische activiteiten kunnen effectief worden afgestemd door de grootte van de NP’s te variëren. Pas in de afgelopen jaren bleken sterk verspreide single-atom katalysatoren (SIC’s) uitstekende eigenschappen te hebben voor veel katalytische reacties vanwege hun unieke elektronische structuur en coördinatieomgeving. Met name de SIC’s hebben al superieure prestaties laten zien op het gebied van energieomzetting, zoals elektrochemische reacties (HER, ORR, OER) en elektrochemische energiesystemen (bijv. supercondensatoren, oplaadbare batterijen)4,5,6. Hoewel zowel NP’s als SB’s hun respectieve voordelen en beperkingen hebben in katalytische toepassingen, bestaan er reacties die zowel NP’s als SIC’s vereisen om de katalytische reactiviteit te stimuleren. Ru NP’s ondersteund op Ni- en N-co-gedopeerde koolstof nanobuis bovenbouw kunnen bijvoorbeeld de hoge katalytische natte luchtoxidatie van azijnzuur7 vergemakkelijken. Dit synergetische effect werd ook aangetoond door Pd1+NP’s/TiO2-katalysatoren voor zeer selectieve keton- en aldehydenhydrogenering bij kamertemperatuur8. Om het veld van synergetische NP’s en SACs-katalyse te versnellen en meer te onderzoeken over hun katalytische toepassingen, is een gemakkelijke manier van katalysatorsynthese zeer wenselijk, en de introductie van hoge belastingen van de atomair verspreide actieve site blijft een uitdaging vanwege de hoge tendens van de aggregatie van SLC’s9.

Verschillende methoden zijn gebruikt om SIC’s te synthetiseren voor toepassingen in de hydrogenering van nitroarenen10, zuurstofreductiereactie en waterstofevolutiereactie 11,12, lithium-zuurstofbatterijen13. De meest voorkomende strategie is de bottom-up benadering, waarbij de metaalprecursoren werden geabsorbeerd, verminderd en geïmmobiliseerd op de defecten van de bijbehorende ondersteuning. Mononucleaire metaalcomplexen kunnen ook eerst worden bevestigd aan de functionele groep steunen, gevolgd door daaropvolgende verwijdering van de organische liganden, waardoor actieve metaallocaties voor het katalytische proces worden gecreëerd. Atomaire laagafzetting (ALD) is waarschijnlijk de meest gebruikte procedure voor bottom-up fabricage door een dunne laag film op het substraat te deponeren met herhaalde blootstelling van reactanten. Hoewel de grootte van de katalysator nauwkeurig kon worden geregeld en de reactiviteit sterk kon worden verbeterd14, was de zuiverheid van het substraat nogal veeleisend en was de metaalbelasting relatief laag, wat resulteerde in hoge productiekosten voor praktische toepassingen. Verschillende methoden zoals directe impregnatie, co-precipitatie en depositie-precipitatie, zijn gebruikt om metalen nanodeeltjes op de ondersteuningsoppervlakken te immobiliseren, zoals metaaloxide en nitride, door middel van oppervlakteladingseffecten. Toenemende metaalbelasting leidt echter meestal tot aanzienlijke agglomeratie en clustervorming van de metaalatomen of nanodeeltjes. Daarom is meestal een zeer verdunde metaaloplossing vereist, wat leidt tot lage SACs-belasting van de katalysatoren15. Amineliganden zoals fenanthroline zijn gebruikt om pyrolyse te ondergaan met metaalprecursoren om atomair gedispergeerde metaalkatalysatoren te bereiden met zeer actieve Co-Nx actieve locaties voor de selectieve dehydrogenatie van mierenzuur. De metaalbelasting was echter relatief laag (2-3 wt%) vanwege het beperkte aantal beschikbare N-atomen in de amineprecursoren16.

In de afgelopen decennia is waterstof beschouwd als een potentieel alternatief om fossiele brandstoffen of koolwaterstoffen, zoals steenkool, aardgas en benzine, te vervangen, vanwege het voordeel van nul-emissie van de eerste. Tot nu toe wordt ongeveer 94% van de commerciële waterstof nog steeds geproduceerd uit het hervormingsproces van fossiele brandstoffen, waarbij bij het proces veel broeikasgas vrijkomt.17. Daarom is waterstofproductie uit hernieuwbare bronnen zoals waterelektrolyse een manier om het probleem van uitgeputte fossiele hulpbronnen en ernstige koolstofemissies op te lossen. De lage waterstofproductie-efficiëntie heeft echter hun bredere toepassingen belemmerd. Om deze kinetische energiebarrière voor watersplitsing te overwinnen, zijn er in het afgelopen decennium tal van efficiënte elektrokatalysatoren ontdekt.18. Een ander probleem is het opslagprobleem als gevolg van het gasvormige en explosieve karakter van waterstofgas onder omgevingsomstandigheden. Fysische opslagmethoden zoals compressie vereisen dat de waterstof tot 700-800 bar wordt gecomprimeerd en cryogene opslag door liquefactie vereist een lage temperatuur bij -253 °C19. Hoewel gecommercialiseerde waterstofbrandstofcel-aangedreven voertuigen met succes zijn gedemonstreerd, moet het opslagprobleem nog worden opgelost als de technologie moet worden gebruikt in bredere toepassingen, zoals miniatuurapparaten en mini-brandstofcellen. Opslagmethoden voor het gebruik van chemische H-materialen zijn dus een van de hete aandachtspunten geweest in onderzoek naar waterstofenergie. Enkele voorbeelden van chemische H-opslagmaterialen zijn ammoniakboraat (AB)20, mierenzuur (FA)21, ammoniakgas22, natrium alanaat23, en magnesiumhydride24. Onder deze heeft AB een laag molecuulgewicht (30,7 g·mol-1), hoge gravimetrische en volumetrische dichtheden (196 gH2·kg-1 en 146 gH2· L-1, respectievelijk). Bovendien is het een lucht- en vochtstabiele verbinding, niet-toxisch en zeer oplosbaar in water. Metalen nanodeeltjes op verschillende ondersteunde materialen zijn op grote schaal gebruikt om de drie equivalenten van waterstof uit AB vrij te maken, zoals op platina (Pt-), palladium – (Pd-), ruthenium – (Ru-), kobalt – (Co-) en nikkel – (Ni-) gebaseerde katalysatoren. Co-gebaseerde heterogene katalysatoren die op koolstofmaterialen worden ondersteund, trekken vooral veel aandacht vanwege hun lage kosten, hoge overvloed en gemak van terugwinning. Er zijn verschillende synthetische strategieën gemeld, zoals de Co NP’s die worden ondersteund op vertakte polyethylenimine-versierde grafeenoxide25. De 3D-structuur met een groot oppervlak zorgt voor de stabilisatie van Co NP’s die op het 2-3 nm-groottebereik blijven en voorkwam de aggregatie van NP’s. Een andere strategie is om N-gedopeerde koolstofmaterialen te gebruiken om Co NP’s met kleine afmetingen te ondersteunen. Co(salen) gebruiken26 en Co-MOF27 (metaal organisch raamwerk) als precursoren zijn co-NP’s van respectievelijk 9,0 nm en 3,5 nm ondersteund op N-gedopeerde poreuze koolstofmaterialen bereid. De stabiliteit ten opzichte van AB-hydrolyse is hoog en de reactiviteit kan meer dan 95% van de initiële activiteit behouden na 10 reactieruns. Onlangs zijn katalysatoren met holle micro/nanostructuren gebruikt voor AB-hydrolyse. Deze materialen worden conventioneel bereid door hydrothermale methoden en zijn op grote schaal gebruikt voor lithium-ionbatterijen, supercondensatoren, chemische sensoren en heterogeen katalyseonderzoek. Zo is de koper-kobalt synergie naar AB hydrolyse aangetoond door de holle CuMoO4-CoMoO428, die een hoge TOF van 104,7 min-1. Andere sterk structureel afhankelijke voorbeelden zijn de core-shell CuO-NiO/Co3O429, de CoxCu1xCo2O4@CoyCu1yCo2O4 dooier-shell type30, en de Ni0.4Cu0.6Co2O4 Nanoarrays31 bleken ook actief te zijn in de richting van AB-hydrolyse. Een ander type opkomende materialen dat bekend staat als heterogestructureerde katalysatoren, zoals MXenen en gelaagde dubbele hydroxiden (LDO’s), worden in toenemende mate gebruikt voor elektrokatalytische en fotokatalytische reacties32,33,34,35. Deze materialen zoals de NiFe-gelaagde dubbele hydroxide36,37 en de CoB-N-materialen met N-gedopeerde koolstof-kobaltboride heterointerfaces38 zijn vooral actief voor zuurstofevolutie en reductiereactie. In principe zouden ze verder kunnen worden gebruikt voor waterstofevolutiereacties van waterstofopslagmaterialen zoals ammoniakboraan39. Het maximaliseren van de interactie tussen de katalysatoren en substraten is ook een andere strategie voor AB-hydrolyse. Chiang et al. hebben de oppervlakteoxidegroep van grafeenoxide gebruikt om een geïnitieerde complexe soort met AB te vormen40, dus Ni0.8Pt0.2/GO en rGO vertoonden een uitstekende reactiviteit ten opzichte van AB-hydrolyse. Het gebruik van α-MoC als ondersteuning voor Co- en Ni-bimetaalkatalysatoren hielp bij de activering van watermoleculen en bereikte een hoge TOF voor AB-hydrolyse, wat vier keer hoger is dan de commerciële Pt / C-katalysator41.

Gebruikmakend van het hoge N-gehalte van de dicyaandiamide en gerelateerde C3N4-materialen , wordt hierin een protocol gepresenteerd voor het bereiken van een gemakkelijke synthese van kobalt-NP’s die worden ondersteund op sterk gedispergeerde Co- en N-gedopeerde koolstofnanobuisjes. De geleidelijke in-situ vorming van Co NP’s uit de gevormde atomair gedispergeerde Co tijdens de pyrolyse van C3N4 materialen zorgen ervoor dat 1) Co NP’s en Co-dopants sterk verspreid zijn; 2) Co NP’s kunnen sterk worden verankerd op de gedopeerde koolstofsteunen en 3) De grootte van de Co NP’s kan zorgvuldig worden geregeld door de temperatuur en tijd van de pyrolyse. De as-prepared Co/Co-N-CNT, als gevolg van de sterk verankerde Co NP’s en het vermogen van de Co-dopants om de adsorptie-energie van watermoleculen te verlagen, bleek een superieure stabiliteit te hebben ten opzichte van de hydrolyse van AB voor waterstofproductie. De details van het synthetische protocol van de katalysatoren en de meting van de waterstofproductie zullen centraal staan in dit rapport.

Protocol

LET OP: Lezers wordt geadviseerd om de eigenschappen en toxiciteiten van de chemicaliën die in dit artikel worden beschreven zorgvuldig te controleren op de juiste chemische behandeling van de relevante veiligheidsinformatiebladen (MSDS). Sommige van de gebruikte chemicaliën zijn schadelijk voor de gezondheid en er moeten speciale zorgen worden genomen. De impact van nanomaterialen op de menselijke gezondheid is onbekend en kan veiligheids- en gezondheidsrisico’s met zich meebrengen. Inademing en contact via de huid me…

Representative Results

Röntgendiffractiepatronen (XRD) zijn verkregen om de kristalliniteit en grootte van de kobalt-NP’s te bepalen. Zoals te zien is in figuur 1, waren diffractiepieken die overeenkomen met de (111), (200) en (220) vliegtuigen (respectievelijk bij 2θ van 44,2°, 51,5° en 75,8°) van de kubieke fase van metallisch kobalt aanwezig in overeenstemming met het vermogensdiffractiebestand van JCPDS (Joint Committee for Powder Diffraction Standards) (kaart # 15-0806)47. De bred…

Discussion

De pyrolysemethode is een van de krachtige strategieën geworden bij de synthese van eendimensionaal nanomateriaal op verschillende heteroatom-gedopeerde vaste dragers met gecontroleerde groottes van NP’s. De pyrolysestrategie met beperkte nanoruimte werd bijvoorbeeld gerapporteerd door Guo et al.56. Kortom, de voorbehandelde MWCNT’s, kobalt- en fosforprecursoren werden pyrolyse bij 800 °C onder N2-atmosfeer en de CoP NP’s die op N-CNT worden ondersteund, kunnen worden verkregen. De aa…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd volledig gefinancierd door Hong Kong University Grants Committee – Institutional Development Scheme (IDS) Collaborative Research Grant, subsidienummer UGC / IDS (C) 14 / B (E) 01/19, het Faculty Development Scheme (FDS), subsidienummer UGC / FDS25 / E08/ 20 en gedeeltelijk gefinancierd door het Institutional Development Scheme (IDS), subsidienummer UGC / IDS (R) 25/20.

.

Materials

Dicyandiamide Sigma Aldrich D76609
Borane-ammonia complex Aladdin B131882-100g
Citric acid, 99% Sigma Aldrich C0759
Cobalt metal standard solution, traceable to SRM from NIST Co(NO3)2 in HNO3 0.5 mol/l 1000 mg/l Co Certipur Sigma Aldrich 1.19785
Cobalt(II) acetylacetonate, ≥ 99% Sigma Aldrich 727970
Hydrochloric acid, ACS reagent Sigma Aldrich 320331-2.5L
ICP-OES ICP-OES with dichroic spectral combiner (Agilent 5110)
Muffle furnace High Performance Hybrid Muffle furnace, Chamber: (360 x 250 x 320) mm, Exterior: (610 x 545 x 500) mm, Power(3100W), Vulcan 3-1750)
Nitric acid, puriss. p.a., 65.0-67.0% Sigma Aldrich 84378
Sulphuric acid, ACS reagent 95-98% Sigma Aldrich 258105
Tubular furnace OTF-1200X with tube size of 60 mm outer diameter (Hefei Kejing)
Ultrasonic bath 10L Digital Single Frequency 40 kHz Ultrasonic Cleaner (Biobase)

References

  1. Di Ilio, G., Di Giorgio, P., Tribioli, L., Bella, G., Jannelli, E. Preliminary design of a fuel cell/battery hybrid powertrain for a heavy-duty yard truck for port logistics. Energy Conversion and Management. , 243 (2021).
  2. Imdahl, C., et al. Potentials of hydrogen technologies for sustainable factory systems. 28th CIRP Conference on Life Cycle Engineering. , 583-588 (2021).
  3. Keller, A. V., Karpukhin, K. E., Kolbasov, A. F., Kozlov, V. N. Analysis of hydrogen use as an energy carrier in transport. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 1159, 012087 (2021).
  4. Sun, B. -. W., Li, H. -. J., Yu, H. -. Y., Qian, D. -. J., Chen, M. In situ synthesis of polymetallic Co-doped g-C3N4 photocatalyst with increased defect sites and superior charge carrier properties. Carbon. 117, 1-11 (2017).
  5. Zhang, Y., et al. Biomass chitosan derived cobalt/nitrogen-doped carbon nanotubes for the electrocatalytic oxygen reduction reaction. Journal of Materials Chemistry A. 6 (14), 5740-5745 (2018).
  6. Sun, J. -. F., et al. Isolated single atoms anchored on N-doped carbon materials as a highly efficient catalyst for electrochemical and organic reactions. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 8 (39), 14630-14656 (2020).
  7. Jin, C., et al. Single-atom nickel confined nanotube superstructure as support for catalytic wet air oxidation of acetic acid. Communications Chemistry. 2 (1), (2019).
  8. Kuai, L., et al. Titania supported synergistic palladium single atoms and nanoparticles for room temperature ketone and aldehydes hydrogenation. Nature Communications. 11 (1), 48 (2020).
  9. Yang, X. -. F., et al. Single-atom catalysts: A new frontier in heterogeneous catalysis. Accounts of Chemical Research. 46 (8), 1740-1748 (2013).
  10. Sun, X., et al. Single cobalt sites in mesoporous N-doped carbon matrix for selective catalytic hydrogenation of nitroarenes. Journal of Catalysis. 357, 20-28 (2018).
  11. Sun, T., et al. Single-atomic cobalt sites embedded in hierarchically ordered porous nitrogen-doped carbon as a superior bifunctional electrocatalyst. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115 (50), 12692-12697 (2018).
  12. Wan, G., et al. Engineering single-atom cobalt catalysts toward improved electrocatalysis. Small. 14 (15), 1704319 (2018).
  13. Wang, P., et al. Atomically dispersed cobalt catalyst anchored on nitrogen-doped carbon nanosheets for lithium-oxygen batteries. Nature Communications. 11 (1), 1576 (2020).
  14. Yan, H., et al. Bottom-up precise synthesis of stable platinum dimers on graphene. Nature Communications. 8 (1), 1070 (2017).
  15. Qiao, B., et al. Single-atom catalysis of CO oxidation using Pt1/FeOx. Nature Chemistry. 3 (8), 634-641 (2011).
  16. Tang, C., et al. A stable nanocobalt catalyst with highly dispersed CoNx active sites for the selective dehydrogenation of formic acid. Angewandte Chemie International Edition. 56 (52), 16616-16620 (2017).
  17. Gnanapragasam, N. V., Rosen, M. A. A review of hydrogen production using coal, biomass and other solid fuels. Biofuels. 8 (6), 725-745 (2017).
  18. Wang, S., Lu, A., Zhong, C. J. Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts. Nano Convergence. 8 (1), 4 (2021).
  19. Demirci, U. B. About the technological readiness of the H2 generation by hydrolysis of B(-N)-H compounds. Energy Technology. 6 (3), 470-486 (2018).
  20. Wu, H., et al. Metal-catalyzed hydrolysis of ammonia borane: Mechanism, catalysts, and challenges. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (55), 30325-30340 (2020).
  21. Singh, A. K., Singh, S., Kumar, A. Hydrogen energy future with formic acid: a renewable chemical hydrogen storage system. Catalysis Science & Technology. 6 (1), 12-40 (2016).
  22. Grinberg, A., Shter, G. E., Grader, G. S. Nitrogen-based alternative fuels: Progress and future prospects. Energy Technology. 4 (1), 7-18 (2016).
  23. Ley, M. B., Meggouh, M., Moury, R., Peinecke, K., Felderhoff, M. Development of hydrogen storage tank systems based on complex metal hydrides. Materials. 8 (9), 5891-5921 (2015).
  24. Wang, H., Lin, H. J., Cai, W. T., Ouyang, L. Z., Zhu, M. Tuning kinetics and thermodynamics of hydrogen storage in light metal element based systems – A review of recent progress). Journal of Alloys and Compounds. 658, 280-300 (2016).
  25. Li, M., Hu, J., Lu, H. A stable and efficient 3D cobalt-graphene composite catalyst for the hydrolysis of ammonia borane. Catalysis Science & Technology. 6 (19), 7186-7192 (2016).
  26. Wang, H., Zhao, Y., Cheng, F., Tao, Z., Chen, J. Cobalt nanoparticles embedded in porous N-doped carbon as long-life catalysts for hydrolysis of ammonia borane. Catalysis Science & Technology. 6 (10), 3443-3448 (2016).
  27. Zhou, L., et al. Ultrasmall cobalt nanoparticles supported on nitrogen-doped porous carbon nanowires for hydrogen evolution from ammonia borane. Materials Horizons. 4 (2), 268-273 (2017).
  28. Feng, Y., et al. Sea-urchin-like hollow CuMoO4-CoMoO4 hybrid microspheres, a noble-metal-like robust catalyst for the fast hydrogen production from ammonia borane. ACS Applied Energy Materials. 4 (1), 633-642 (2021).
  29. Liao, J., et al. CuO-NiO/Co3O4 hybrid nanoplates as highly active catalyst for ammonia borane hydrolysis. International Journal of Hydrogen Energy. 45 (15), 8168-8176 (2020).
  30. Lu, D., et al. A simple and scalable route to synthesize Cox Cu1-x Co2O4@CoyCu1-yCo2O4 yolk-shell microspheres, a high-performance catalyst to hydrolyze ammonia borane for hydrogen production. Small. 15 (10), 1805460 (2019).
  31. Feng, Y., et al. Durable and high performing Ti supported Ni0.4Cu0.6Co2O4 nanoleaf-like array catalysts for hydrogen production. Renewable Energy. 169, 660-669 (2021).
  32. Prabhu, P., Jose, V., Lee, J. M. Heterostructured catalysts for electrocatalytic and photocatalytic carbon dioxide reduction. Advanced Functional Materials. 30 (24), (2020).
  33. Wang, H., et al. Electronic modulation of non-van der Waals 2D electrocatalysts for efficient energy conversion. Advanced Materials. 33 (26), 2008422 (2021).
  34. Wang, H., Lee, J. -. M. Recent advances in structural engineering of MXene electrocatalysts. Journal of Materials Chemistry A. 8 (21), 10604-10624 (2020).
  35. Prabhu, P., Lee, J. M. Metallenes as functional materials in electrocatalysis. Chemical Society Reviews. 50 (12), 6700-6719 (2021).
  36. Lin, Y., et al. Co-induced electronic optimization of hierarchical NiFe LDH for oxygen evolution. Small. 16 (38), 2002426 (2020).
  37. Li, M., et al. Gd-induced electronic structure engineering of a NiFe-layered double hydroxide for efficient oxygen evolution. Journal of Materials Chemistry A. 9 (5), 2999-3006 (2021).
  38. Jose, V., et al. Highly efficient oxygen reduction reaction activity of N-doped carbon-cobalt boride heterointerfaces. Advanced Energy Materials. 11 (17), (2021).
  39. Qiu, X., et al. Hydrogen generation from ammonia borane hydrolysis catalyzed by ruthenium nanoparticles supported on Co-Ni layered double oxides. Sustainable Energy & Fuels. 5 (8), 2301-2312 (2021).
  40. Prabu, S., Chiang, K. -. Y. Improved catalytic effect and metal nanoparticle stability using graphene oxide surface coating and reduced graphene oxide for hydrogen generation from ammonia-borane dehydrogenation. Materials Advances. 1 (6), 1952-1962 (2020).
  41. Ge, Y., et al. Maximizing the synergistic effect of CoNi catalyst on α-MoC for robust hydrogen production. Journal of the American Chemical Society. 143 (2), 628-633 (2020).
  42. Duan, S., et al. Magnetic Co@g-C3N4 core-shells on rGO sheets for momentum transfer with catalytic activity toward continuous-flow hydrogen generation. Langmuir. 32 (25), 6272-6281 (2016).
  43. Zhang, H., et al. Birdcage-type CoOx-carbon catalyst derived from metal-organic frameworks for enhanced hydrogen generation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 7 (11), 9782-9792 (2019).
  44. Semiz, L. Dehydrogenation of ammonia borane by dealloyed ruthenium catalysts. Inorganic and Nano-Metal Chemistry. 51 (1), 20-26 (2020).
  45. Bulut, A., et al. Carbon dispersed copper-cobalt alloy nanoparticles: A cost-effective heterogeneous catalyst with exceptional performance in the hydrolytic dehydrogenation of ammonia-borane. Applied Catalysis B: Environmental. 180, 121-129 (2016).
  46. Akbayrak, S., Tonbul, Y., Özkar, S. Ceria supported rhodium nanoparticles: Superb catalytic activity in hydrogen generation from the hydrolysis of ammonia borane. Applied Catalysis B: Environmental. 198, 162-170 (2016).
  47. International Centre for Diffraction Data. Powder diffraction file PDF-2 data base international center for diffraction data JCPDS-ICDD 1999 in JCPDS database. International Centre for Diffraction Data. , (2021).
  48. Zhang, J., Zhao, Z., Xia, Z., Dai, L. A metal-free bifunctional electrocatalyst for oxygen reduction and oxygen evolution reactions. Nature Nanotechnology. 10 (5), 444-452 (2015).
  49. Cao, B., et al. Tailoring the d-band center of N-doped carbon nanotube arrays with Co4N nanoparticles and single-atom Co for a superior hydrogen evolution reaction. NPG Asia Materials. 13 (1), (2021).
  50. Varga, T., et al. Co4N/nitrogen-doped graphene: A non-noble metal oxygen reduction electrocatalyst for alkaline fuel cells. Applied Catalysis B: Environmental. 237, 826-834 (2018).
  51. Li, H., Gan, S., Wang, H., Han, D., Niu, L. Intercorrelated superhybrid of AgBr supported on graphitic-C3N4-decorated nitrogen-doped graphene: High engineering photocatalytic activities for water purification and CO2 reduction. Advanced Materials. 27 (43), 6906-6913 (2015).
  52. Zhao, S., et al. One-pot pyrolysis method to fabricate carbon nanotube supported Ni single-atom catalysts with ultrahigh loading. ACS Applied Energy Materials. 1 (10), 5286-5297 (2018).
  53. Dilpazir, S., et al. Cobalt single atoms immobilized N-doped carbon nanotubes for enhanced bifunctional catalysis toward oxygen reduction and oxygen evolution reactions. ACS Applied Energy Materials. 1 (7), 3283-3291 (2018).
  54. Cao, L., et al. Identification of single-atom active sites in carbon-based cobalt catalysts during electrocatalytic hydrogen evolution. Nature Catalysis. 2 (2), 134-141 (2018).
  55. Fu, Z. C., et al. Highly efficient hydrolysis of ammonia borane by anion (-OH, F-, Cl-)-tuned interactions between reactant molecules and CoP nanoparticles. Chemical Communications. 53 (4), 705-708 (2017).
  56. Hou, C. -. C., et al. Tailoring three-dimensional porous cobalt phosphides templated from bimetallic metal-organic frameworks as precious metal-free catalysts towards the dehydrogenation of ammonia-borane. Journal of Materials Chemistry A. 7 (14), 8277-8283 (2019).
  57. Peng, C. Y., et al. Nanostructured Ni2P as a robust catalyst for the hydrolytic dehydrogenation of ammonia-borane. Angewandte Chemie International Edition English. 54 (52), 15725-15729 (2015).
  58. Xu, Q., Chandra, M. Catalytic activities of non-noble metals for hydrogen generation from aqueous ammonia-borane at room temperature. Journal of Power Sources. 163 (1), 364-370 (2006).
  59. Kalidindi, S. B., Sanyal, U., Jagirdar, B. R. Nanostructured Cu and Cu@Cu2O core shell catalysts for hydrogen generation from ammonia-borane. Physical Chemistry – Chemical Physics. 10, 5870-5874 (2008).
  60. Ning, X., Yu, H., Peng, F., Wang, H. Pt nanoparticles interacting with graphitic nitrogen of N-doped carbon nanotubes: Effect of electronic properties on activity for aerobic oxidation of glycerol and electro-oxidation of CO. Journal of Catalysis. 325, 136-144 (2015).
  61. Li, Z., et al. Covalent triazine framework supported non-noble metal nanoparticles with superior activity for catalytic hydrolysis of ammonia borane: from mechanistic study to catalyst design. Chemical Science. 8 (1), 781-788 (2017).

Play Video

Cite This Article
Poon, P., Lee, K., Wang, Y., Lam, W. W. Y., Leung, P. S., Lu, X., Li, W., Mehdi, B. L., Lu, Y., Tsang, C., Wong, E. Y. C. Synthesis of Metal Nanoparticles Supported on Carbon Nanotube with Doped Co and N Atoms and its Catalytic Applications in Hydrogen Production. J. Vis. Exp. (178), e62965, doi:10.3791/62965 (2021).

View Video