تولید هیدروژن با استفاده از نانوکاتالیست کبالت پایدار شده بر کربن نیترید گرافیتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه نانوفناوری، دانشکده فنی دانشگاه گیلان، رشت

2 گروه نانوفناوری، دانشکده فنی دانشگاه گیلان، رشت، ایران

10.22034/jrenew.2026.251750
چکیده
تولید هیدروژن به عنوان حامل انرژی پاک با استفاده از آبکافت کاتالیزوری سدیم بوروهیدرید مورد توجه گسترده ای قرار گرفته است. این پژوهش به سنتز نانوکاتالیست کبالت پایدار شده بر پایه کربن نیترید گرافیتی (Co/g-C3N4) به روش کاهش شیمیایی و ارزیابی عملکرد آن در تولید هیدروژن پرداخته است. مشخصه‌یابی نانوکاتالیست با روش‌های پراش پرتو ایکس، طیف‌سنجی فتوالکترون پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی و گرماسنجی حرارتی انجام شد. نتایج طیف‌سنجی فتوالکترون پرتو ایکس تشکیل فازهای Co-B و Co3O4 را بر بستر پلیمری تأیید کرد و تصاویر میکروسکوپ الکترونی توزیع یکنواخت نانوذرات کبالت با اندازه زیر ۵۰ نانومتر بدون تجمع را نشان داد. بررسی فعالیت کاتالیزوری در تولید هیدروژن با سیستم اندازه‌گیری حجمی انجام شد و نتایج حاکی از بازده ۱۰۰ درصدی تولید هیدروژن در شرایط بهینه شامل ۵۰ میلی‌گرم کاتالیزور و غلظت ۱۰ درصد وزنی سدیم بوروهیدرید بود. استفاده از بستر کربن نیترید گرافیتی سرعت تولید هیدروژن را تا ۲ برابر نسبت به کاتالیست بدون پایدارساز افزایش داد. مطالعات سینتیکی نشان داد واکنش نسبت به کاتالیزور دارای مرتبه جزئی یک و نسبت به سدیم بوروهیدرید دارای مرتبه جزئی کمتر از یک است. انرژی فعال‌سازی KJmol-1۹۴/۳۷ ، آنتالپی فعال‌سازی KJmol-1 ۵۳/۳۵ و آنتروپی فعال‌سازی Jmol-1K-1 ۷/۱۸۶- محاسبه گردید. مکانیسم پیشنهادی مبتنی بر جذب همزمان یون بوروهیدرید و مولکول آب بر سایت‌های فعال کاتالیست است. این مطالعه گامی مؤثر در توسعه کاتالیست‌های غیرنجیب و کم‌هزینه برای تولید هیدروژن سبز محسوب می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

. مراجع
[1]   S. Rahmatian and V. Varahrami, is hydrogen fuel the future energy of the world? Journal of Renewable and New Energy, Vol. 12, No. 1, pp. 166-172, 2024. (In Persian)
[2] F. Maleki, Z. Akbari, A. Farzaneh, An overview on state-of-the-art methods for production and storage of hydrogen as a sustainable, Journal of Renewable and New Energy, Vol. 8, No. 2, pp. 101-109, 2021. (In Persian)
[3]   O.V. Netskina, O.V. Komova, V.I. Simagia, G.V. Odegova, I.P. Prosvirin, O.A.  Bulavchenko, Aqueous-alkaline NaBH4 solution: The influence of storage duration of solutions on reduction and activity of cobalt catalysts, Renewable Energy, Vol. 99, pp. 1073-1081, 2016.
[4]  A. Abraham, S. Gupta, R. Patel , N. Patel, R. Fernandes, Surface modified Cobalt Oxide Nanostructures for hydrogen generation from catalytic dissociation of NaBH4, Fuel, Vol. 395,  pp. 135198, 2025.
[5] S.K. Singh, Y. Iizuka, Q. Xu, Nickel-palladium nanoparticle catalyzed hydrogen generation from hydrous hydrazine for chemical hydrogen storage, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 36, No. 18, pp. 11794–11801, 2011.
[6] D.D. Tuan, K-Y. A Lin, Ruthenium supported on ZIF-67 as an enhanced catalyst for hydrogen generation from hydrolysis of sodium borohydride, Chemical Engineering Journal, Vol. 351, pp. 48–55, 2018.
[7] Y.V. Larichev, O.V. Netskina, O.V. Komova, V.I. Simagina, Comparative XPS study of Rh/Al2O3 and Rh/TiO2 as catalysts for NaBH4 hydrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 13, pp.6501–6507, 2010.
[8] T. Liu, K. Wang, G. Du, AM. Asiri, X. Sun, Self-supported CoP nanosheet arrays: a non-precious metal catalyst for efficient hydrogen generation from alkaline NaBH4 solution, Journal of Materials ChemistryA, Vol. 4, pp. 13053-13057, 2016.
 [9] F. MirshafieeM. Rezaei, Enhancing hydrogen generation from 
sodium borohydride hydrolysis and the role of a Co/CuFe2O4 
       nanocatalyst in a continuous flow system, Scientific Reports, Vol. 14, pp. 9659-9674, 2024.
[10] J. Ruan, Sh. Wang, F. Yang,  C. XiangY.  Zou, F. Xu, L.  Sun, Hydrolysis of NaBH4 using carbonized melamine foam-supported cobalt borate composite catalyst for H2 production, international journal of electrochemical science, Vol. 19, pp.100461-100469, 2024.
[11] A.Vedullacheruvu, Ch. Singh, R. Magadum, H. Manjunath, A.osh Pandey, A.K. Samal, A.H. Jadhav, Cobalt-engineered zeolitic imidazolate hexagonal nanocrystals as a robust and sustainable catalyst for hydrogen production via NaBH4 hydrolysis: experimental and theoretical validation, RSC Advances, Vol. 15, pp. 35137-35157, 2025.
[12] A.A. Ceyhan, S. Edebali, E. Fangaj, A study on hydrogen generation from NaBH4 solution using Co-loaded resin catalysts, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 45, No. 60, pp. 34761-34772, 2020.
[13] J. Manna, B. Roy, D. Pareek, P. Sharma, Hydrogen generation from NaBH4 hydrolysis using Co-B/AlPO4 and Co-B/ bentonite catalysts, Catalysis, Structure and Reactivity, Vol. 3, No. 4, pp.157-164, 2017.
 [14] L. Ai, X. Gao, J. Jiang, in situ synthesis of cobalt stabilized on macroscopic biopolymer hydrogel as economical and recyclable catalyst for hydrogen generation from sodium borohydride hydrolysis, Journal of Power Sources, Vol. 257, pp. 213-220, 2014.
[15] M. H. Loghmani, M. Jalali Rad, Hydrogen generation via cross-linked glucomannan supported cobalt nano catalyst, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 46, No. 73, pp. 36137-36151, 2021.
[16] M. Ismael, Y. Wu, A mini-review on the synthesis and structural modification of g-C3N4-based materials, and their applications in solar energy conversion and environmental remediation, Sustainable Energy Fuels, Vol. 3, pp. 2907-2925, 2019.
[17] J. Zhang, Q. Zh, L. Wang, M. Nasir, SH. Cho, J. Zhang, g-C3N4/CoAl-LDH 2D/2D hybrid heterojunction for boosting photocatalytic hydrogen evolution, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 45, No. 41, pp. 21331-21340, 2020.
[18]  N. Rozlin, N. Masdek, Z. Salleh,  M. H. Koay, M. Ismail,  Synthesis and characterization of Co-Mo alloy coating, Materials Science and Engineering, Vol. 380, No. 1, pp. 012012, 2018.
[19] V. V. Matveev, D. Baranov, G. Y. Yurkov, N. G. Akatiev, I. P. Dotsenko, S. P. Gubin, Cobalt nanoparticles with preferential hcp structure: A confirmation by X-ray diffraction and NMR, Chemical Physics Letters, Vol. 422, No. 4-6, pp. 402-405, 2006.
[20] J. Zou, Y. Yu, W. Yan, J. Meng, S. h. Zhang, J. A. Wang, facile route to synthesize boron-doped g-C3N4 nanosheets with enhanced visible-light photocatalytic activity, Journal of Materials Science, Vol. 54, No. 9, pp. 6867-6881, 2019.
[21] H. Zhang, W. Tian, X. Guo, L. Zhou, H. Sun, M.O. Tade, S.h. Wang, Flower-Like Cobalt Hydroxide/Oxide on Graphitic Carbon Nitride for Visible-Light-Driven Water Oxidation, ACS Applied Materials and Interfaces, Vol. 8, No. 51, pp. 35203-35212, 2016.
[22] A. Younis, D. Chu, X. Lin, J. Lee, S. Li, Bipolar resistive switching in p-type Co3O4 nanosheets prepared by electrochemical Deposition, Nanoscale Research Letters, Vol. 8, No. 1, pp. 36-41, 2013.
[23] H. Yin, J. Zhu, J. Chen J. Gong Q. Nie, PEG-templated assembling of Co3O4 nanosheets with nanoparticles for enhanced sensitive non-enzymatic glucose sensing performance, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 29, No. 20, pp. 17305-17313, 2018.
 [24] S. GuoJ. Sun, Z. h. Zhang,    A. Sheng,    M. Gao,   Z.  Wang B.   Zhao,  W. Ding, Study of the electrooxidation of borohydride on a directly formed CoB/Ni-foam electrode and its application in membraneless direct borohydride fuel cells, Journal of Materials Chemistry A, Vol. 5, pp. 15879-15890, 2017.
[25] Y. Zou, Y. Yin, Y. Gao, C. Xiang, H. Chu, S. h. Qiu, E. Yan, F. Xu L. Sun, Chitosan-mediated Co–Ce–B nanoparticles for catalyzing the hydrolysis of sodium borohydride, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 43, No. 10, pp. 4912-4921, 2018.
[26] M. Kaur, K. Pal. Synthesis, characterization and electrochemical evaluation of hydrogen storage capacity of graphitic carbon nitride and its nanocomposites in an alkaline environment, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 32, No. 9, pp. 12475–12489, 2021.
[27]A. R. Silviya, R. Patel, N. PatelR. Fernandes, MOF derived   cobalt-phospho-boride for rapid hydrogen generation via NaBH4 hydrolysis,  International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 77, No. 5, pp. 1245-1253, 2024.
[28] W. Chen, X. Xiao, J. He, Z. Dong, X. Wang, M. Chen, A dandelion-like amorphous composite catalyst with outstanding performance for sodium borohydride hydrogen generation, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 46, No. 18, pp.10809-10818, 2021.
[29]P. Chitriv, S. KumbhalkarA. Kinkar, R.P. Vijayakumar, Glen Cletus DSouza, Synthesis of cobalt catalysts using waste derived MWCNTs as support and study on its effect in the hydrolysis of NaBH4 for hydrogen production, Materials Letters, Vol. 405, pp. 139818, 2026.
[30] A. Paksoy, S.F. Kurtoglu, A.K. Dizaji, Z. Altıntas, S. Khoshsima, A. Uzun, O. Balaci, Nanocrystalline cobalt-nickel-boron (metal boride) catalysts for efficient hydrogen production from the hydrolysis of sodium borohydride, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 46, pp.7974-7988, 2021.
[31] Sh.  Qiu, G. Cai, W. Huang, J. Liu, H. Chu, Y. Xia, Y. Zou, L. Sun, Carbon dots-derived nanosheets supporting CoB catalysts enable rapid hydrogen generation from NaBH4 hydrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 191, pp. 152232, 2025.
[32] M. Soltani, M. Zabihi. Hydrogen generation by catalytic hydrolysis of sodium borohydride using the nanobimetallic catalysts supported on the core-shell magnetic nanocomposite of activated carbon, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 45, pp. 12331-12346, 2020.
[33] C. Saka, M. Salih Eygi, A. Balbay, CoB doped acid modified zeolite catalyst for enhanced hydrogen release from sodium borohydride hydrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 45, No. 30, pp.15086-15099, 2020.
[34] T.A. Hansu, A. Caglar, O. Sahin, H. Kivrak. Hydrolysis and electrooxidation of sodium borohydride on novel CNT supported CoBi fuel cell catalyst, Materials Chemistry and Physics, Vol. 239, pp. 122031, 2020.
[35]  Y. Wang, D. Zhang, X. Wang, K. Zhang, Z. Cao, N. Qi, Co-Fe-B as an effective catalyst for hydrogen production from NaBH4 hydrolysis, Materials Letters, Vol. 12, pp.100104, 2021.
[36] J. Ren, J. Ma, F. Xu , D. Zhang , K. Zhang , Zh. Cao , Sh. Wu , Q. Sun , Y. Wang , G. Li, Hydrogen generation from hydrolysis of NaBH4 solution with efficient g-C3N4/CoeMoeB/Ni foam catalyst, International Journal of Hydrogen Energy,Vol. 50, pp. 1213-1222, 2024.
 

  • تاریخ دریافت 15 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 08 دی 1404
  • تاریخ پذیرش 01 مرداد 1405