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Jun 15, 2023

グリーン合成S、Nの装飾

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8103 (2022) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は、2022 年 8 月 2 日に公開されました。

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高い活性部位を持つハロイサイト ナノチューブ (HNT) は、天然の層状ミネラル担体として使用されます。 効果的で環境に優しい活物質を設計するために、導電性添加剤として硫黄と窒素を共ドープしたグラフェン量子ドット (S、N-GQD) と電極触媒として CoFe2O4 を HNT 支持体上に装飾しました。 ここでは、環境に優しい CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料をグリーン水熱法によって製造し、開発された水素貯蔵サイトを装備し、水素貯蔵利用のための迅速な電荷輸送を可能にします。 純粋な HNT の水素貯蔵容量は、20 サイクル後の電流密度 1 mA で 300 mAhg-1 でしたが、S, N-GQD でコーティングされた HNT (S, N-GQD/HNT) の水素貯蔵容量は、同一条件下では 466 mAhg-1 でした。条件。 ハロイサイトナノクレイ中のCoFe2O4を相互結合させることにより、スピルオーバー手順を通じて水素収着能力を高めることも考えられた。 CoFe2O4/HNT の水素貯蔵容量は 450 mAhg-1 でしたが、CoFe2O4/S、N-GQD/HNT の代表的な設計ナノ複合材料の水素貯蔵容量は 600 mAhg-1 でした。 ハロイサイト ナノ粘土と処理ハロイサイトは、アルカリ媒体中での電気化学エネルギー貯蔵用の電極材料としての可能性を示しています。 特に、三元系 CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料は、導電性添加剤の存在、物理吸着、およびスピルオーバー機構の観点から、開発された水素収着性能を証明しています。

粘土鉱物は、ナノサイズでさまざまな種類の作用種を集合させるケイ酸塩の多様性により、機能性ナノ化合物の拡張に広く利用されてきました1,2。 したがって、ナノ粒子、ポリマー、生物学的成分などのさまざまな材料を組み立てて、エネルギー貯蔵、触媒反応、センサーなどの用途に使用される粘土ナノ複合材料として興味深い、非常に多様なナノ構造を作成することができます3,4。

膜、電解質、電極などのさまざまなエネルギー貯蔵デバイスにおけるエネルギー貯蔵用途に粘土鉱物を適用するためのいくつかの報告が検討されています。 ハロイサイト ナノチューブ (HNT) は、直径 50 nm、長さ 600 ～ 900 nm、内腔 15 nm の構造詳細を持つ管状の粘土です5、6。 ハロイサイトは、カオリン シートを丸めて多層メソポーラス ナノチューブにすることによって構築される独特の材料です。 ハロイサイトの表面は、アルミナ (内腔表面) とシリカ (その他の表面) によって作成されます 7,8。 その優れた特徴には、中空構造、高気孔率、調整可能な表面特性、低コスト、多用途な表面機能化、および容易な調製が含まれます9、10、11、12、13。 ハロイサイトナノチューブの表面修飾は、外表面または内腔で行うことができます。 選択する表面改質戦略の種類は、必要な用途の種類によって異なります。 これらの修飾剤には、ポリマー、ナノ粒子、界面活性剤、オルガノシランカップリング、酸エッチング、生物由来の化合物などが含まれます14。

エネルギーと発電は、産業社会と人間の生涯の適合性を管理するための基本的なテーマです。 製品の製造、建物の冷暖房、駆動、モーター システムの照明など、すべての動作にはエネルギーが必要です15。 現在、私たちはほとんどのエネルギー要件を満たすために再生不可能なエネルギー源に依存しています。 これらの再生不可能な発電所は、大規模な事業運営により急速に放電しつつあります16。 さらに、これらの化石の燃焼により周囲環境に絶対的な破壊をもたらす二酸化炭素 (CO2) が放出されるため、これらの発生源は天候を変化させるための重要な基盤となります17。 したがって、水素エネルギーは、将来のエネルギーデバイスにとって最も困難な供給源となる可能性があります18。 水素は、静的かつ譲渡可能な利用のための無毒かつ低価格の電力源として認識されています。 水素は点火後に再生可能なエネルギーを供給します19。 科学者たちは、その優れた特徴により、将来有望な燃料として水素を検討しています。 これらの機能は、世界中で豊富に含まれており、汚れのないエネルギー源であり、最も軽い燃料です20,21。

電極材料の特性は、蓄電デバイスのエネルギー貯蔵性能にとって非常に重要です。 ナノ構造電極材料が記憶装置の容量とサイクル安定性を向上させることができることはよく知られています。 物質輸送と電極反応速度は、電荷輸送経路とイオン拡散距離を短縮することによって高めることができます。 さらに、いくつかのメカニズムと保管プロセスの連携により、電極材料のイオン吸着の可能性が促進されます。 層状材料、特に独特の構造を持つ粘土鉱物では、表面に電極触媒材料を装飾することによって波及メカニズムが発生する可能性があります。 修飾された電極触媒に吸着された H2 分子は粘土鉱物の表面に移動し、水素をある表面から別の表面に輸送することができます。 さらに、解離源（電極触媒）と受容体（粘土）の間の炭素橋を設計することで拡散が起こります。 グラフェン量子ドット (GQD) は、独特の物理化学的特性を持つ機能性炭素源として、エネルギー貯蔵プロセスにおいて理想的な役割を果たします 22,23。 電極の組織における GQD の存在は、リチウムイオン電池、リチウム S 電池、スーパーキャパシタなどの電気化学エネルギー貯蔵システムを研究するための以前の研究で報告されています 24、25、26、27、28。 Yushan Liu グループは、スーパーキャパシターの電極材料として優れた性能を提供する HNT/RGO ナノ複合材料の調製を再投稿しました 29。 Akhilesh BabuGanganboinaらによって設計された、Nドープグラフェン量子ドット固定Fe3O4/ハロイサイトナノチューブのナノアセンブリ。 高性能スーパーキャパシタ用30。

言及された文献によると、HNT ナノクレイ、CoFe2O4、および S,N-GQD が、それぞれ担体、電極触媒、および導電性受容体成分として選択されました。 したがって、三元ナノ複合材料は、ハロイサイト ナノチューブ上に CoFe2O4 および S,N-GQD を修飾することによって設計されました。 スピネル材料のカテゴリーに属する遷移金属酸化物としての CoFe2O4 は、電気化学エネルギー貯蔵システムに広く利用されています 31,32。 電気化学エネルギー貯蔵デバイスは、高出力で酸化還元反応を起こし、表面および構造細孔内に電荷を蓄積します33。 達成された三元系 CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料は、潜在的な水素貯蔵材料として、相乗的な波及機構、酸化還元プロセス、および物理吸着を備えたグリーン水熱法によって調製されました。 ハロイサイトナノチューブ上の導電性受容体としてのS,N-GQD層と電極触媒としてのCoFe2O4ナノ粒子の装飾を、XRD、FE-SEM、TEM、FT-IR、EDSの構造解析を用いて研究した。 機能、機構、性能の点で理想的な電極材料に到達するために、得られた複合材料の電気化学的能力が比較されました。

FE-SEM 顕微鏡写真と XRD 回折図を使用して、ハロイサイト ナノチューブの形態と純度を調査しました。 ハロイサイトナノチューブ上のS、N-GQDおよびCoFe2O4ナノ粒子の装飾プロセスの概略図を図1a〜cに示します。 また、スピルオーバーによる水素貯蔵プロセスのメカニズムを図1dおよびeに示します。 図S1aおよびbに示すように、ハロイサイトの構造は、異なる長さのナノチューブです34。 さらに、未加工のHNTのXRD回折図が図S1cに示されており、参照コード29-1487のAl2Si2O5（OH）4の構造が確認されています。 2Ɵ = 25 度のピークは、粘土材料で利用できる SiO2 (JCPDS = 82-1554) に関連するハロイサイト ナノチューブ鉱物のテクスチャーに存在します。 製造されたままの純粋なS、N-GQDおよびS、N-GQD/HNTナノ複合サンプルの純度が研究され、XRD技術を使用して図2aおよびbに示されています。 図 2a は、炭素組織の約 15 ～ 25 度に幅広いピークを示しており、これは熱水プロセスにおける赤玉ねぎの汁からのグラフェン量子ドットの形成を裏付けています。 さらに、ハロイサイトナノチューブ基板上のS,N-GQDの形成は、図2bのXRDディフラクトグラムの調査によって確認されました。 図 2b は、水酸化ケイ酸アルミニウム (29-1487) およびシリカ (82-1554) の鋭いピークと、炭素の幅広いピーク (08-0415) を同時に表示しています。 さらに、図3aおよびbは、それぞれCoFe2O4/HNTおよびCoFe2O4/S、N-GQD/HNTのXRDディフラクトグラムを示しています。 これら 2 つの XRD パターンでは、立方晶系の結晶系 (JCPDS = 02-1045) を持つコバルト フェライトとハロイサイト ナノチューブの存在が確認できます。

（a〜c）HNT基板上のS、N-GQDおよびCoFe2O4ナノ粒子の装飾、および（d、e）水素貯蔵のためのCoFe2O4 / S、N-GQD / HNTのスピルオーバーメカニズム。

(a) 元の S, N-ドープ GQD および (b) S, N-GQD/HNT ナノ複合材料の XRD ディフラクトグラム。

(a) CoFe2O4/HNT および (b) CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料の XRD ディフラクトグラム。

S、N-GQD/HNT、CoFe2O4/HNT、およびCoFe2O4/S、N-GQD/HNTナノ複合材料などの設計サンプルの形態を、1μmおよび200nmの異なる倍率で図4に示します。 図 4a と b は、ハロイサイト粘土のナノチューブ上の GQD のカバーを示しています。 HNT構造上でのCoFe2O4ナノ粒子の形成は図4cとdに示されており、HNT基板上でのCoFe2O4とS、N-GQDの生成は図4eとfに示されています。 HNT 基板上の粒子。 図 5a ～ d は、設計された三元ナノ複合材料の TEM 画像をさまざまな倍率で示しています。 画像は、ハロイサイト ナノチューブ基板上の CoFe2O4 ナノ粒子と S, N-GQD の装飾を明確に示しています。 HNT、S、N-GQD、CoFe2O4 構造の 3 つの成分すべてが TEM 画像で特定されています。 ハロイサイト構造に関連するナノチューブおよび観察された粒子は、CoFe2O4 ナノ構造を指します。 CoFe2O4の格子縞と相関する0.332nmの測定されたd間隔は、図5dに与えられる（220）の格子間隔に指標付けされます。 ハロイサイトナノチューブ上のS、N-GQDおよびCoFe2O4ナノ粒子の装飾プロセスをよりよく説明するために、図1a〜cに模式図を描いて示します。 この回路図は、ステップバイステップの合成機能を詳細に明確にしました。

(a、b) S、N-GQD/HNT、(c、d) CoFe2O4/HNT、および(e、f) CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料の FE-SEM 顕微鏡写真。

（a〜d）さま​​ざまな倍率でのCoFe2O4 / S、N-GQD / HNTナノ複合材料のTEM画像。

FT-IR 分析はサンプルの化学バンドの検出に適用され、図 6a ～ d に示されています。 図6a〜dは、純粋な純粋なS、N-GQD、純粋なHNT、N、S-GQD/HNTおよびCoFe2O4/S、N-GQD/HNTのFT-IRスペクトルを示しています。 HNT 粘土の FT-IR スペクトルで見られるように、Al2OH の伸縮結合と屈曲結合はそれぞれ 3695、3621、911 cm-1 に位置しました。 753、691、および537 cm-1で得られたピークは、Si-O-Alの曲げ結合に関連しています。 1033 cm-1 の結合は、791 cm-137,38 に現れるハロイサイト単位の Si-O および OH 振動を指します。 コバルトフェライトとハロイサイトの金属酸化物の振動（465および539cm−1）は互いに重なり合う。 1385、1614、および2925 cm-1で得られるピークは、=C-H、C-N、C=O、C-H、C-OH39などのGQDの官能基を表します。 EDS技術を使用した、元のS、N-GQDおよびCoFe2O4 / S、N-GQD / HNTのナノ複合体の元素分析を図S2aおよびbに示します。 GQD の EDS 分析における硫黄と窒素の存在により、S および N ドープされたグラフェン量子ドットの形成が確認されます。 S、N、および C に加えて、Al、Si、Co、Fe、および O の存在は、三元ナノ複合材料における HNT および CoFe2O4 の組織を裏付けます。

(a) 元の S、N-GQD、(b) 元の HNT、(c) S、N-GQD/HNT、および (d) CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料の FT-IR スペクトル。

タマネギの化学組成には、いくつかのカルボン酸、糖などが含まれます。タマネギサンプルでは、​​リンゴ酸、クエン酸、酒石酸、シュウ酸、アスコルビン酸、コハク酸、ピルビン酸などの 7 種類の有機酸が同定され、定量されました。 また、タマネギ抽出物中には硫黄と窒素を含む化合物が有機硫黄とアミノ酸として検出されました。 これらの化合物は、1-プロパンチオール、硫化プロピレン、硫化ジメチル、アスパラギン酸、セリンなどから構成されます40,41。

有機酸から GQD が形成されるメカニズムは次のように説明されています。 酒石酸やアスコルビン酸などの有機酸は、溶融温度で加熱すると分解し、酸から形成されたヒドロニウムイオンがその後の分解反応段階で触媒として作用します。 メカニズムにおける重要な経路は、縮合と付加環化、それに続く芳香族化と芳香族クラスターの形成でした。 熱分解中に、隣接する脱水酸分子が互いに反応して GQD を形成し、各 GQD の端に位置する官能基が表面の不動態化層として機能します 42。 さらに、炭素源とともに硫黄または窒素源が存在すると、S、N ドープ GQD が形成されます。 タマネギ抽出物中のチアミンまたはパントテン酸の化合物は、GQD 構造内の S または N のドーピングに関与しているようです 43。

表面仕様は、未加工の HNT と CoFe2O4/S、N-GQD/HNT の代表的なナノ複合材料の表面データを比較するために、BET 法によって決定されました。 比表面積と多孔度に関する表面の特性評価は、表面または細孔内でのイオンの吸着と挿入にとって重要な要素です。 したがって、得られたデータはエネルギー貯蔵材料の重要な特性として機能する可能性があります。 図S3aおよびcに見られるように、典型的なタイプIV等温線は2つのBETプロットに対して決定できます。 得られた等温線は H3 ヒステリシス ループを持ちます。 IV 型等温線は、メソポーラス構造によって材料に対して定義されます 44。 未処理の HNT および CoFe2O4/S、N-GQD/HNT のナノコンポジットの比表面積、総細孔容積、平均細孔直径を表 S1 にまとめます。 サンプルの細孔サイズ分布を図S3bおよびdに示します。 未処理のHNTの細孔サイズ分布は、1〜55 nmの範囲の広い細孔サイズ分布を示し、最大直径2 nmの細孔の周囲にあります（図S3b）。 図S3dに示すように、1〜45 nmの範囲のCoFe2O4 / S、N-GQD / HNTナノ複合材料の細孔サイズ分布は、40 nmの細孔の周囲で最大値を示します。 比表面積データによると、ハロイサイト粘土上に CoFe2O4 ナノ粒子と S, N-GQD を修飾すると、HNT の表面が CoFe2O4 と S, N-GQD 成分で覆われ、ハロイサイトの表面積が減少します。

電気化学的水素貯蔵 (EHS) 容量は、充放電クロノポテンシオメトリー (CP) 技術による水素の収着に関する作用電極内の活物質の挙動を比較するための適切な基準です。 この基準を確認するために、HNT の基板上に設計された活性材料を、元の HNT に対する水素貯蔵能力の観点から検査しました。 CoFe2O4/HNT、S、N-GQD/HNTおよびCoFe2O4/S、N-GQD/HNTの設計サンプルの放電プロファイルをそれぞれ図7b〜dに示します。 図7aに見られるように、未使用のHNTの放電プロファイルは、1mAの電流密度で20サイクル後に300mAhg-1の放電容量を示します。 ハロイサイトナノチューブの表面に CoFe2O4 が存在すると、粘土ナノチューブの波及機構における CoFe2O4 の電極触媒作用により、HNT の容量が 450 mAhg-1 まで増加します。 さらに、S, N-GQD/HNT 複合材料は、20 サイクル後に 466 mAhg-1 の放電容量を示します。 HNT 表面での CoFe2O4 と S,N-GQD の同時役割は、2 M KOH 電解質中で 1 mA の電流密度を適用することによって、HNT の水素貯蔵容量を 600 mAhg-1 に増加させることができます。

(a) 未処理の HNT、(b) CoFe2O4/HNT、(c) S、N-GQD/HNT、(d) CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料、および (e) 比較サイクリック ボルタンメトリー (CV) の放電プロファイル未処理の HNT および CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料の曲線。

水素貯蔵能力の向上における水素の流出の役割については、正確なメカニズムが理解されていないため、依然として議論の余地があり、逆に水素の吸収特性に影響を及ぼします。 スピルオーバーとは、遷移金属による水素分子の原子への解離と、その後のこれらの原子のホスト材料への拡散であり、水素原子が不飽和 C-C 結合 (つまり、活性炭、グラファイト、単層カーボン ナノチューブ) を水素化することができます。またはベンゼン環 (つまり、MOF、COF、およびポリマー)。 波及のさまざまなステップのうち、水素分子の解離と水素原子の拡散は、それぞれ瞬間的でバリアレスであると考えられます。 ただし、水素原子はホスト材料への移動のために高いエネルギー障壁を克服する必要があり、これが移動の律速段階となります。 したがって、移動経路をできるだけ短くするには、ホスト材料内の遷移金属のクラスタリングと微細な分子レベルの分散を最小限に抑えることが望ましい45。 スピルオーバーは、H2 を H 原子に解離させる電極触媒を含む水素収着システムで考えられるメカニズムです。 スピルオーバーの概念では、電極触媒上に吸着された水素は、カーボンなどの担体材料やグラファイトや粘土などの層状構造の表面に移動し、水素はある表面から別の表面に輸送されます。 水素が CoFe2O4 ナノ電極触媒に吸着され、2 段階のスピルオーバーが発生すると、CoFe2O4/HNT および CoFe2O4/S、N-GQD/HNT 複合材料でスピルオーバー プロセスが発生します。 一次スピルオーバーは、電極触媒ナノ粒子から担体への原子状水素の輸送を通じて発生し、二次スピルオーバーは、水素の受容体 (HNT) への輸送を通じて発生します。 拡散手順は二次波及のために必須である46。 したがって、解離源 (CoFe2O4) と受容体 (HNT) の間に炭素橋 (S, N-GQD) が形成されると拡散が起こります。 二次スピルオーバーは、吸着剤を水素を解離できる触媒と混合することによって水素貯蔵能力を開発することが実証されました47,48。 CoFe2O4 / S、N-GQD / HNTナノ複合材料における説明された波及メカニズムは、図1dおよびeに詳細に示されています。

スピルオーバー機構における S, N-GQD の炭素橋の役割に加えて、共ドープされた GQD (CoFe2O4/S、N-GQD/HNT) の存在下での水素収着能力は CoFe2O4/HNT よりも優れています。 S、N-GQD ベースの電極内の電子移動は適切に速いためです。 電極上に S、N-GQD を形成すると、小さなサイズの S、N-GQD によって生成される多数のエッジ領域と、CoFe2O4 結合構造に相関する適切な導電率により、放電容量が変化する可能性があります。 CoFe2O4/S、N-GQD/HNT の高効率は、ドーパントとエッジ状態の両方によって形成されるトラップ状態によって解明され、電荷キャリアを吸着して蓄積能力を向上させることができます。 グラフェン層の電子密度は、電子受容体または電子供与体種によるドーピングによって変更できます。 グラフェン構造内のヘテロ原子としての硫黄または窒素は、炭素原子に置き換えることができます。 したがって、電子の移動が発生し、電子と正孔が生成されます。 この構造は、協力する S、N-GQD によって変化し、エネルギー貯蔵用途の電気化学および電極触媒システムで大きな役割を果たします 22,49。 さらに、グラフェンを電子的に修飾する能力を持つドナー原子としての窒素は、グラフェン構造の導電性と触媒作用を改善することができます50,51。

金属酸化物における水素収着の作用は物理吸着によって決まります。 水性電解質から生成された H+ は金属酸化物の表面に吸着します (充電プロセス)。 放電経路中、H2 はアルカリ環境下で作用電極から移動し、電子を放出しながら再び水になります。 次のステップでは、金属酸化物の電極触媒に吸着された水素がナノ粒子からカーボン担体の表面に移動し、水素はある表面から別の表面に輸送されます52。

実際、ヘイロフスキープロセスは、合成された CoFe2O4 ナノ粒子の適切な電極触媒活性により発生しました 53。 ターフェルの相乗効果 [式. (2)]54 およびヘイロフスキー [式 (2)] (3)] のプロセスにより、活物質に水素が貯蔵されます。

式によると、 (4) では、KOH の電解質が解離し、充電方向に OH- と H+ のイオンが生成されます。 次に、生成された H+ は作用極に移動します。 カソード反応では、H+ が活物質の表面に吸着します。 酸化プロセスおよび陽極反応中に、充電メカニズムは対極 (Pt) で実行されます。 放電方向の間、作用電極に貯蔵された H2 はアルカリ環境下で電子を放出することによって移動し、水が再び生成されます。 中心金属イオンとしての Fe3+ は Fe2+ に還元されます [式 2]。 (5)】。 最後に、吸着した H+ が CoFe2O4 の総電荷を平衡させることができます。 構築の観点から生成された Fe-H 結合は、Fe3+/Fe2+ の酸化還元対の還元を伴う OH- イオンの形成を促進します。

サイクリックボルタンメトリー (CV) の電気分析技術は、電極材料の特性の比較研究に通常使用されていました。 構造や形態などの材料の属性を電気化学的応答と関連付けることにより、魅力的で効果的な科学的洞察が得られます。 CoFe2O4 および GQD で修飾された HNT の電気化学的応答を、元の HNT と比較するために CV によって調査しました。 図 7e は、-1.1 ～ -0.2 V の電位領域にわたる未加工の HNT および CoFe2O4/S、N-GQD/HNT の代表的なナノ複合材料の CV 曲線を示しています。すべてのサンプルの電極応答 (アノードおよびカソード ピーク) は次のとおりです。表S2。 CoFe2O4/S、N-GQD/HNT ナノ複合材料は、元の HNT よりも優れた電極応答を示します。 興味深いことに、HNT 構造上の S,N-GQD を覆うと、エネルギー貯蔵用途向けに製造されたままの電極材料の電気化学的特性が変化することがわかります。 さらに、電極触媒としての CoFe2O4 はエネルギー貯蔵メカニズムを改善することができ、これはクロノポテンショメトリーの充放電結果と一致します。

ユニークな基板としてのハロイサイト ナノクレイは、物理吸着およびスピルオーバー機構を組み込んだ水素吸着の点で好ましい特性を示します。 緑色に合成された硫黄と窒素を共ドープしたグラフェン量子ドットを導電性成分として、コバルトフェライトナノ粒子を電極触媒としてハロイサイト基板上に装飾しました。 設計された三元ナノ複合材料の形態と純度により、HNT 基板上に CoFe2O4 と S,N-GQD が存在することが確認されています。 ハロイサイトと処理ハロイサイトは、充放電クロノポテンショメトリー法による 1 mA の電流で 20 サイクル後、2 M KOH 電解質中で互いに比較して 300 および 600 mAhg-1 の水素貯蔵容量を示します。 その結果、製造された CoFe2O4/S、N-GQS/HNT ナノ複合材料は、エネルギー貯蔵デバイス用の潜在的な化合物の反射計画のための容易なプロセスを提供します。

ハロイサイト ナノチューブ (HNT)、FeCl3・6H2O、Co(CH3CO2)2・4H2O、CTAB、NaOH などのサンプルの合成プロセスで利用される化学前駆体および出発原料は、Merck 社から購入し、さらに精製することなく適用されました。 ＸＲＤディフラクトグラムは、Ｎｉフィルターを通したＣｕ Ｋａ放射線（Ｐｈｉｌｉｐｓ−Ｘ'ｐｅｒｔｐｒｏ）を使用するＸ線回折装置によって記録された。 FT-IRスペクトルは、Nicolet Magna-550分光計を用いてKBrペレット中で得た。 SEM 顕微鏡写真は、エネルギー分散型 X 線分光法を備えた LEO-1455VP で取得しました。 20 kV の加速電圧で EDS 分析を実行しました。 TEM 画像は、加速電圧 200 kV の Philips EM208 透過型電子顕微鏡で取得されました。 BET 分析は、自動ガス吸着分析装置 (Tristar 3000、Micromeritics) を使用して -196 °C で実施されました。 細孔径の分布は、BJH 法における等温線の脱着分岐を適用して測定されました。

赤玉ねぎは、水熱法を使用したグラフェン量子ドットの合成のための緑色の原料として選択されました。 タマネギ抽出物を使用するには、新鮮な赤タマネギを絞り、タマネギの果汁を果肉から濾過します。 赤玉ねぎの汁を再度濾過し、50 mlの密閉オートクレーブに移し、180 °Cで8時間加熱しました。 得られた生成物を濾過し、得られた粉末からＧＱＤ溶液を分離した。 得られた溶液には、S,N が共ドープされた GQD 溶液が含まれています。

ハロイサイトナノチューブの基板上に S,N-GQD を合成するために、超音波浴を使用して 0.2 g の HNT を 50 ml の希釈赤玉ねぎ汁に分散させました。 調製した混合物を密閉オートクレーブに移し、180℃で8時間加熱した。 最後に、得られた S,N-GQD/HNT 生成物を真空オーブン中 80 °C で 24 時間乾燥させました。

「電気化学の詳細」で提供される S, N-GQD/HNT 粉末は、CoFe2O4 ナノ粒子の合成のための基板として使用されました。 Ｓ（０．０２ｇ）、Ｎ−ＧＱＤ／ＨＮＴ粉末を脱イオン水中に超音波分散した。 次に、混合溶液は、ＤＩ水中に０．１３ｇのＦｅＣｌ３・６Ｈ２Ｏ、０．１０ｇのＣｏ（ＣＨ３ＣＯ２）２・４Ｈ２Ｏおよび０．１３ｇのＣＴＡＢを含むものとして調製され、Ｓ，Ｎ−ＧＱＤ／ＨＮＴの分散溶液に添加される。 得られた混合物のｐＨをＮａＯＨを使用して１１に調整し、２０分間撹拌した。 最後に、得られた混合物を密閉オートクレーブに移し、150℃で15時間加熱しました。 S,N-GQD/HNT の基板上に調製された CoFe2O4 を遠心分離し、オーブン内で 60 °C で乾燥させました。

収集された細胞は、作用電極として得られた電極材料、対極としての白金プレート、参照電極としてのAg/AgCl、および電解質としての脱イオン水中のKOHを有していました。 作用電極は、合成した材料を銅基板上にコーティングすることによって設計されました。 3 電極セルでは、作用電極の電位変化を計算する必要があるため、この変化は参照電極 (電位が定義された電極) に関して調べられます。 これらの電極は、一定で再現可能な電位を提供することにより、作用電極の電位を指定する機能を提供します。 Ag/AgCl 電極は、このシステムで最も広く使用されている参照電極です 55。 得られたこれらの銅基板は、三電極水素貯蔵セルの作用電極として適用されました。 定電流充放電の調査は、SAMA 500 試験装置で希望の電流密度で実行されました。 得られた電極のサイクリック ボルタモグラム実験を、同様に収集したセルで 0.10 Vs-1 の走査速度で実行しました。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17519-y

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イラン、カシャーン大学ナノ科学・ナノ技術研究所のマスード・サラヴァティ・ニアサリ教授と共著者らは、カシャーン大学およびイラン評議会からの助成金番号 (159271/MG8) により、分析施設へのアクセスを提供したことに感謝します。イラン国立科学財団 (INSF) による助成金番号 (97017837)。

カシャーン大学ナノ科学・ナノ技術研究所、私書箱。 87317-51167、カシャーン、イラン・イスラム共和国

マリアム・ギヤシアン＝アラニ＆マスード・サラヴァティ＝ニアサリ

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MSN と MGA がこのアイデアを考案しました。 MGA は実験を実施し、製品の特性を評価し、原稿を執筆しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

Maryam Ghiyasian-Arani または Masoud Salavati-Niasari への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

この記事の元のオンライン版は改訂されました。この記事の元のバージョンでは、Masoud Salavati-Niasari が責任著者として省略されました。 通信および資料のリクエストも、[email protected] 宛てにお送りください。さらに、この記事の元のバージョンには、謝辞セクションに誤りが含まれていました。 「イランのカシャーン大学ナノ科学・ナノ技術研究所のマスード・サラヴァティ・ニアサリ教授と共著者らは、カシャーン大学とイラン国家科学評議会からの助成金第97014327号により、分析施設へのアクセスを提供したことに感謝します」財団 (INSF) による助成金番号 99019327。 「イランのカシャーン大学ナノ科学・ナノテクノロジー研究所のマスード・サラヴァティ・ニアサリ教授と共著者らは、カシャーン大学の助成金番号（159271/MG8）により分析施設へのアクセスを提供したことに感謝する」と書かれている。およびイラン国立科学財団 (INSF) 評議会による助成金番号 (97017837)。

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転載と許可

Ghiyasiyan-Arani, M.、Salavati-Niasari, M. 電気化学的水素貯蔵用途のための天然基板としてのハロイサイト ナノクレー上の緑色合成 S、N-GQD および CoFe2O4 の装飾。 Sci Rep 12、8103 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12321-2

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受信日: 2021 年 11 月 25 日

受理日: 2022 年 3 月 3 日

公開日: 2022 年 5 月 16 日

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

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科学レポート (2023)

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