При участии ИОХ РАН опубликована статья в высокорейтинговом журнале по наноматериалам
Учеными лаборатории химии карбенов и других нестабильных молекул ИОХ РАН и Сколтеха опубликована статья, посвященная использованию никелевых нанопроводов, инкапсулированных в однослойные углеродные нанотрубки и обработанные азотной плазмой, в качестве электрокатализатора окисления мочевины с перспективами использования для безопасного получения водородного топлива. Данная структура увеличивает стойкость никеля к агрессивному воздействию реакционной среды, одновременно увеличивая его каталитическую активность и продолжительность стабильной работы.
Катализаторы на основе благородных металлов (например, платины и палладия) проявляют недостаточную эффективность в реакции окисления мочевины, уступая никелю и оксиду никеля. Однако чистый никель также подвержен быстрому износу. Инкапсуляция никеля в углеродные нанотрубки позволила преодолеть эту проблему, обеспечив долгосрочное сохранение свойств катализатора.
Дополнительная обработка азотной плазмой создает дефекты в структуре нанотрубок, служащие активными центрами катализа и облегчающими внедрение никеля. Полученный катализатор продемонстрировал увеличение производительности относительно традиционного никеля и исключительно низкую потерю активности (~2%) после тысячи циклов тестирования.
Исследование представляет надежный подход к производству никелевых и золотых нанопроволок (НП), заключённых внутри одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ). Получены образцы длиной до 1,2 микрометра. Технология основана на обработке поверхности нанотрубок азотной плазмой, создающей дефекты, после чего осуществляется заполнение трубок металлом-прекурсором и его последующее восстановление. Проводятся симуляции процесса радиационной обработки нанотрубок для анализа влияния кинетической энергии азота на образование дефектов, определяющих эффективность включения никеля внутрь нанотрубок.
Структурный анализ подтвердил размеры дефектов в диапазоне от 3,6 до 9,2 Å, подходящие для проникновения металлических прекурсоров. Нанопроволоки Ni показали отличную электро-каталитическую активность в реакциях окисления мочевины (UOR), достигнув удельной активности 1150 А г⁻¹ при напряжении 1,7 В относительно обратимого водородного электрода (ОВЭ) в растворе 2 моль/л мочевины и стабильную производительность в течение 1000 циклов. Сравнительные расчеты энергий адсорбции мочевины показывают, что никель-заключённые ОУНТ усиливают адсорбцию (-0,35 эВ) по сравнению с чистой поверхностью графена (-0,2 эВ), демонстрируя синергический эффект структуры никеля и углерода. Анализируется также роль дефектов в улучшении адсорбции мочевины. Эта работа подчеркивает потенциал ОУНТ как нанореакторов для синтеза высокоэффективных каталитических материалов. Результаты подчеркивают важность контролируемого проектирования дефектов и термообработки для оптимизации синтеза нанопроволок с целью дальнейшего развития катализаторов и функциональных применений.
Источник: Encapsulated Nickel Nanowires Inside Plasma-treated Single-Walled Carbon Nanotubes for Urea Oxidation, Aliya R. Vildanova, Anastasia E. Goldt, Sergei V. Porokhin, Alexander G. Kvashnin, Viktor S. Baidyshev, Ilya V. Chepkasov, Fedor S. Fedorov, Kseniya A. Litvintseva, Andrey V. Lalov, Veronika A. Dmitrieva, Marina M. Tepliakova, Albert G. Nasibulin, Small. 2025, e2507040, DOI: 10.1002/smll.202503601