In this paper, cobalt embedded in nitrogen and sulfur co-doped carbon nanotubes (CoNSTs) were synthesized for oxygen reduction reaction (ORR) catalysts. The CoNSTs were prepared through a facile heat treatment method without any templates. Different amounts of the metal salt were employed to examine the physicochemical and electrochemical properties of the CoNSTs. The CoNSTs showed the bamboo-like tube morphology with the encased Co nanoparticles in the tubes. Through the x-ray photoelectron spectroscopy analysis, the catalysts exhibited different chemical states of the nitrogen and sulfur species. As a result, the CoNST performed high activity toward the ORR in an acidic condition with the onset potential of 0.863 V (vs. reversible hydrogen electrode). It was clearly demonstrated from the electrochemical characterizations that the quality of the nitrogen and sulfur species significantly influences the ORR activity rather than the total amount of the dopants.
Nitrogen (N)-doped protein-based carbon as platinum (Pt) catalyst supports from tofu for oxygen reduction reactions are synthesized using a carbonization and reduction method. We successfully prepare 5 wt% Pt@N-doped protein-based carbon, 10 wt% Pt@N-doped protein-based carbon, and 20 wt% Pt@N-doped protein-based carbon. The morphology and structure of the samples are characterized by field emission scanning electron microscopy and transmission electron micro scopy, and crystllinities and chemical bonding are identified using X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy. The oxygen reduction reaction are measured using a linear sweep voltammogram and cyclic voltammetry. Among the samples, 10 wt% Pt@N-doped protein-based carbon exhibits exellent electrochemical performance with a high onset potential of 0.62 V, a high $E_{1/2}$ of 0.55 V, and a low ${\Delta}E_{1/2}=0.32mV$. Specifically, as compared to the commercial Pt/C, the 10 wt% Pt@N-doped protein-based carbon had a similar oxygen reduction reaction perfomance and improved electrochemical stability.
The nitrogen reduction reaction (NRR), which produces NH3 by reducing N2 under ambient conditions, is attracting attention as a promising technology that can reduce energy consumption in industrial processes. We investigated the adsorption behaviors at various active sites on the Ni (100) surface, which is widely used among catalytic metal surfaces capable of adsorbing and activating N2, based on density-functional theory calculations. We also investigated two N2 adsorption structures, so-called end-on and side-on structures. We find that for the end-on case, N2 is adsorbed on a top site, and the reaction proceeded in a distal pathway, while for the side-on case, N2 is adsorbed on a bridge site, and the reaction proceeded with enzymatic pathway. Finally, this study provides insight into the adsorption of metal catalyst surfaces for the NRR reactions based on the calculated Gibbs free energy profiles of the thermodynamically most favorable pathways.
Electrochemical ammonia production using catalysts offers a promising alternative to the conventional Haber-Bosch process, allowing for ambient temperature and pressure conditions, environmentally friendly operations, and high-purity ammonia production. In this study, we focus on the nitrogen reduction reactions occurring on the surfaces of ruthenium catalysts, employing first-principles calculations. By modeling reaction pathways for nitrogen reduction on the (0001) and (1000) surfaces of ruthenium, we optimized the reaction structures and predicted favorable pathways for each step. We found that the adsorption configuration of N2 on each surface significantly influenced subsequent reaction activities. On the (0001) surface of ruthenium, the end-on configuration, where nitrogen molecules adsorb perpendicularly to the surface, exhibited the most favorable N2 adsorption energy. Similarly, on the (1000) surface, the end-on configuration showed the most stable adsorption energy values. Subsequently, through optimized hydrogen adsorption in both distal and alternating configurations, we theoretically elucidated the complete reaction pathways required for the final desorption of NH3.
N-doped carbon nanofibers as catalysts for oxygen-reduction reactions are synthesized using electrospinning and carbonization. Their morphologies, structures, chemical bonding states, and electrochemical performance are characterized. The optimized N-doped carbon nanofibers exhibit graphitization of carbon nanofibers and an increased nitrogen doping as well as a uniform network structure. In particular, the optimized N-doped carbon nanofibers show outstanding catalytic activity for oxygen-reduction reactions, such as a half-wave potential ($E_{1/2}$) of 0.43 V, kinetic limiting current density of $6.2mAcm^{-2}$, electron reduction pathways (n = 3.1), and excellent long-term stability after 2000 cycles, resulting in a lower $E_{1/2}$ potential degradation of 13 mV. The improvement in the electrochemical performance results from the synergistic effect of the graphitization of carbon nanofibers and the increased amount of nitrogen doping.
The reduction of nitrogen to produce ammonia has been attracting much attention as a renewable energy technology. Ammonia is the basis for many fertilizers and is also considered an energy carrier that can power internal combustion engines, diesel engines, gas turbines, and fuel cells. Traditionally, ammonia has been produced through the Haber-Bosch process, in which atmospheric nitrogen combines with hydrogen at high temperature ($350-550^{\circ}C$) and high pressure (150-300 bar). This process consumes 1-2% of current global energy production and relies on fossil fuels as an energy source. Reducing the energy input required for this process will reduce $CO_2$ emissions and the corresponding environmental impact. For this reason, developing electrochemical ammonia-production methods under ambient temperature and pressure conditions should significantly reduce the energy input required to produce ammonia. In this review, we introduce the electrochemical nitrogen reduction reaction at ambient condition. Numerical studies on the electrochemical nitrogen reduction mechanism have been carried out through the computation of density function theory. Electrodes such as nanowires and porous electrodes have been also actively studied for further participation in electrochemical reactions.
Kim, Min-Sung;Chung, Sang-Ho;Lee, Myung Suk;Lee, Dae-Won;Lee, Kwan-Young
Clean Technology
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v.19
no.1
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pp.65-72
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2013
In this study, we investigated the activity of Pd and Cu co-incorporated on mesoporous silica support such as MCM-41 and SBA-15 for catalytic nitrate reduction in water. In pure hydrogen flow, nitrate concentration was gradually decreased with the reaction time, but nitrogen selectivity was too low due to very high pH of reaction medium after the reaction. In order to acquire high nitrogen selectivity, we utilized carbon dioxide as a pH buffer, which resulted in higher nitrogen selectivity (about 40%). For the above reaction conditions, Pd-Cu/MCM-41 showed better performance than Pd-Cu/SBA-15. The physicochemical properties of both catalysts were investigated to figure out the relationship between the characteristics of the catalysts and the catalytic activity on the catalytic nitrate reduction by $N_2$ adsoprtion-desorption, X-ray diffraction (XRD), $H_2$-temperature programmed reduction, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) techniques.
N2O is hazardous atmosphere pollution matter which can damage the ozone layer and cause green house effect. There are many other nitrogen oxide emission control but N2O has no its particular method. Preventing further environmental pollution and global warming, it is essential to control N2O emission from industrial machines. In this study, the thermal decomposition experiment of N2O gas mixture is conducted by using cylindrical reactor to figure out N2O reduction and NO formation. And CHEMKIN calculation is conducted to figure out reaction rate and mechanism. Residence time of the N2O gas in the reactor is set as experimental variable to imitate real SNCR system. As a result, most of the nitrogen components are converted into N2. Reaction rate of the N2O gas decreases with N2O emitted concentration. At 800℃ and 900℃, N2O reduction variance and NO concentration are increased with residence time and temperature. However, at 1000℃, N2O reduction variance and NO concentration are deceased in 40s due to forward reaction rate diminished and reverse reaction rate appeared.
Selective catalytic reduction and selective non-catalytic reduction processes are mainly used to treat nitrogen oxidants generated from fossil-fuel combustion. Especially, the selective non-catalytic reduction process can be operated more economical and designed more simply than the selective catalytic reduction. For this reason, many researchers carried out to increase the removal efficiency of nitrogen oxidants in the condition of low oxygen concentration by using the selective non-catalytic reduction process. However, this study was flue gas contained high oxygen concentration of 20(v/v%) with ammonia as a reducing agent. Moreover, it carried out experiment with many factors that are reaction temperature, retention time, initial NO concentration, NSR(normalized stoichiometric ratio). It was determined optimal operating conditions to improve NO removal efficiency with SNCR process. The De-NOx efficiency was increased with NSR, initial NO concentration and retention time increasement. This study has NO removal efficiency over 80% in the high oxygen concentration as well as low oxygen concentration. The injection of reducing agent may be considered for SNCR process and facility operation in 850$\^{C}$ of optimal condition.
Iron and nitrogen coordinated carbon catalyst (Fe-N-C) is the most promising non-precious metal catalyst (NPMC) studied to alternate the Pt-group oxygen reduction reaction (ORR) catalyst. In this work, Fe/N/C type catalysts are prepared by four different nitrogen precursors; N, N, N', N'-tetramethylethylenediamine (TMEDA), 1,2-ethylenediamine (EDA), m-dicyanobenzene (DCB), dicyandiamide (DCDA) which can chelate a transition metal; In addition, the catalysts conducted the pyrolysis process at four different temperatures of 700, 800, 900, 1000 ℃ to investigate the ORR activities depend on pyrolysis temperature and to find an appropriate temperature. The characterizations of catalysts were investigated by scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectrometer (SEM-EDS), X-ray diffraction (XRD), and element analysis (EA). The electrocatalytic activity was measured by ORR polarization, also the electron transfer number was calculated from the slope of the K-L plot. The FeNC-EDA-800 which were prepared at pyrolysis temperature of 800 ℃ with EDA showed better ORR activity than the other catalysts.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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