Synthesis of Nano-Meter-Sized Core-Shell Bimetallic Magnesium-Palladium Clusters and Their Hydrogen Uptake Capacity
Loading...
Date
2014
Authors
Diaa "Mohammed Marouf" Saleh Aref
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
The synthesis of magnesium and palladium core-shell bimetallic clusters (MgPd CSC) was performed with combined salt reduction-electrochemical technique by using a simple electrolysis cell. The surfactant, tetraoctylammonium bromide (TOAB) was used as stabilizing agent to prevent the agglomeration process and as an electrolyte for electrochemical cell.
As-prepared clusters were characterized by using FT-IR, SEM, TEM, XRD, EDX, AAS and UV-Vis spectroscopy to probe clusters' surface, size, structure, shape, morphology, and optical properties, respectively.
The hydrogen storage capacity of the as-prepared clusters was investigated from both points of view "thermodynamic and kinetic" by using the gravimetric and volumetric techniques.
The characterization of the as-prepared clusters confirms the success in preparation of core/shell bimetallic clusters with Mg- rich core and Pd-rich shell with fcc crystalline structure and size near to mono-distribution and ranging from 1.5-4.5 nm, which increases as the current density decreases or the concentration of Mg-core increases.
The optical properties of the as-prepared clusters were performed by using UV-Vis spectroscopy, which shows a blue shift for the surface plasmon resonance with lowering the ratio between Pd-shell and Mg-core. The band gap energy (Eg) of clusters was calculated and found to be core to shell size dependent in the range (3.0-3.3 eV).
As-prepared clusters show a large enhancement "approximately 2 folds" for the hydrogen storage capacity from Pd clusters reported in literature, with reliable kinetics and reversible absorption-desorption processes. Where, as-prepared cluster with size ca. 3.5 nm and metallic stoichiometry of Mg1Pd3 formula absorbed the maximum amount of hydrogen (ca. 1.22 wt %) at ambient conditions "1bar and 25°C" during few minutes and desorbed all amounts of absorbed hydrogen again, effectively within absorption time.
لم يعد يخفى في هذا القرن (القرن الواحد والعشرون) اهمية الجسيمات بحجم النانو لما تحتويه من خصائص فيزيائية وكيميائية مميزة. وفي الوقت الحالي عظم الاهتمام بشكل خاص على التحضير الهندسي لهذه الجسميات من حيث التحكم في حجومها واشكالها وتركيبها الجزيئي من حيث ترتيب الجزيئات و الذرات المكونة لهذه الجسيمات وما يتبعها من خصائص مغايرة. في هذه الدراسة تم تحضير جسيمات بحجم النانوميتر والمكونة من معدني المغنيسيوم المغلفة بالبلاديوم و المثبتة بجزيئات بروميد الامونيوم رباعي(الاكتيل) المستخدمة كمثبطات نمو لجسيمات النانو المحضرة ومنع تراكمها الى جسيمات اكبر من حجم النانو. عملية التحضير تمت بالاعتماد على عمليتي الاختزال المتزامنة من الاختزال الملحي و الاختزال الكهروكيميائي باستخدام الخلية الكهركيميائية البسيطة. ومن ثم باستخدام تقنيات التحليل المختلفة (TEM, FT-IR, XRD, AAS...) تم االتحقق من حجوم وأشكال وتركيب الجسيمات الناتحة ومن كونها على الشكل الهندسي المتمثل بالمغنيسيوم (الكور) المغلفة بالبلاديوم. بالاضافة الى دراسة خصائصها الضوئية و طاقة الفجوة الحزمية لتركيبها الجزيئي (Eg) باستخدام المطياف الضوئي (المرئي - الفوق بنفسجي) "UV-Vis spectroscopy". التحقق من قدرة هذه الجسيمات على امتصاص غاز الهيدروجين و استخراج كمية الهيدروجين الممتصة مرة اخرى بفاعلية تمت دراستها ايضا باستخدام ميزان الكتروني حساس مفرغ من الهواء (UHVEM). وبعد التحقق من الجسيمات الناتجة، وجد ان جسيمات من معدن المغنيسيوم المغلف بمعدن البلاديوم والمثبتة بمثبطات النمو تم تحضيرها بنجاح. وعند فحص حجومها باستخدام تقنيات (TEM, XRD) وجد ان حجمها لا يتجاوز (5 نانوميتر) بتوزيع حجمي لا يتجاوز (1 نانوميتر) وكما تم دراسة اثر تغيير كثافة التيار الكهربائي و الكمية البدائية من معدن المغنيسيوم (الكور) المستخدمة على الجسيمات الناتحة من حيث حجمها و نسبة جزيئاتها المكونه لها. وقد وجد ان حجم الجسيمات الناتجة تقل مع زيادة كثافة التيار الكهربائي او مع تقليل كمية المغنيسيوم المستخدمة. ومع دراسة خصائصها الضوئية بالاعتماد على تتبع نسبة الامتصاص للاطوال الموجية المختلفة وتتبع التردد البلازموني السطحي(SPRB) و من خلال ايضا حساب طاقة الفجوة الحزمية ((Eg لهذة الجسيمات الناتجة. وجد ان خصائصها الضوية تتبع التشتت الضوئي لقانون ماي (Mie scattering) لجسيمات البلاديوم، وهذا يعتبر دليل اخر على ان الجسيمات مكونه من البلاديوم على سطحها مع وجود (SPRB) في منطقة الضوء المرئي وتنحرف باتجاه مناطق الاطاقة الاعلى (انخفاض في الطول الموجي) كلما قلت نسبة البلاديوم على سطحها. ووجد ايضا ان لها طاقة فجوة لتركيبها الجزيئي يتراوح بين (3,0-3,3 الكترون فولت) والتي تزداد مع انخفاض كمية البلاديوم المغلفة للمغنيسيوم على سطح هذه الجسيمات الناتجة. التحقق من قدرة الجسيمات المحضرة على امتصاص الهيدروجين تم من خلال دراسة العينات المحضرة باستخدام طريقتي الفحص( GravimetricوVolumetric)، وابدت قدرة عالية لامتصاص الهبدروجين. كما تم دراسة عينة تحوي على جسيمات بحجم 3,5 نانوميتر ونسبة مولية بين المغنيسيوم و البلاديوم تكافئ (Mg1Pd3), ووجد ان لها قدرة جيدة على امتصاص الهيدروجين بحيث امتصت ما نسبته (1,22% نسبة كتلية) و كونت هيدريدات بالشكل الجزيئي (Mg1Pd3H4.2)، مع سرعة امتصاص واستخلاص للهيدروجين الممتصة بنسبة تصل الى 100% في غضون دقائق معدودة.
لم يعد يخفى في هذا القرن (القرن الواحد والعشرون) اهمية الجسيمات بحجم النانو لما تحتويه من خصائص فيزيائية وكيميائية مميزة. وفي الوقت الحالي عظم الاهتمام بشكل خاص على التحضير الهندسي لهذه الجسميات من حيث التحكم في حجومها واشكالها وتركيبها الجزيئي من حيث ترتيب الجزيئات و الذرات المكونة لهذه الجسيمات وما يتبعها من خصائص مغايرة. في هذه الدراسة تم تحضير جسيمات بحجم النانوميتر والمكونة من معدني المغنيسيوم المغلفة بالبلاديوم و المثبتة بجزيئات بروميد الامونيوم رباعي(الاكتيل) المستخدمة كمثبطات نمو لجسيمات النانو المحضرة ومنع تراكمها الى جسيمات اكبر من حجم النانو. عملية التحضير تمت بالاعتماد على عمليتي الاختزال المتزامنة من الاختزال الملحي و الاختزال الكهروكيميائي باستخدام الخلية الكهركيميائية البسيطة. ومن ثم باستخدام تقنيات التحليل المختلفة (TEM, FT-IR, XRD, AAS...) تم االتحقق من حجوم وأشكال وتركيب الجسيمات الناتحة ومن كونها على الشكل الهندسي المتمثل بالمغنيسيوم (الكور) المغلفة بالبلاديوم. بالاضافة الى دراسة خصائصها الضوئية و طاقة الفجوة الحزمية لتركيبها الجزيئي (Eg) باستخدام المطياف الضوئي (المرئي - الفوق بنفسجي) "UV-Vis spectroscopy". التحقق من قدرة هذه الجسيمات على امتصاص غاز الهيدروجين و استخراج كمية الهيدروجين الممتصة مرة اخرى بفاعلية تمت دراستها ايضا باستخدام ميزان الكتروني حساس مفرغ من الهواء (UHVEM). وبعد التحقق من الجسيمات الناتجة، وجد ان جسيمات من معدن المغنيسيوم المغلف بمعدن البلاديوم والمثبتة بمثبطات النمو تم تحضيرها بنجاح. وعند فحص حجومها باستخدام تقنيات (TEM, XRD) وجد ان حجمها لا يتجاوز (5 نانوميتر) بتوزيع حجمي لا يتجاوز (1 نانوميتر) وكما تم دراسة اثر تغيير كثافة التيار الكهربائي و الكمية البدائية من معدن المغنيسيوم (الكور) المستخدمة على الجسيمات الناتحة من حيث حجمها و نسبة جزيئاتها المكونه لها. وقد وجد ان حجم الجسيمات الناتجة تقل مع زيادة كثافة التيار الكهربائي او مع تقليل كمية المغنيسيوم المستخدمة. ومع دراسة خصائصها الضوئية بالاعتماد على تتبع نسبة الامتصاص للاطوال الموجية المختلفة وتتبع التردد البلازموني السطحي(SPRB) و من خلال ايضا حساب طاقة الفجوة الحزمية ((Eg لهذة الجسيمات الناتجة. وجد ان خصائصها الضوية تتبع التشتت الضوئي لقانون ماي (Mie scattering) لجسيمات البلاديوم، وهذا يعتبر دليل اخر على ان الجسيمات مكونه من البلاديوم على سطحها مع وجود (SPRB) في منطقة الضوء المرئي وتنحرف باتجاه مناطق الاطاقة الاعلى (انخفاض في الطول الموجي) كلما قلت نسبة البلاديوم على سطحها. ووجد ايضا ان لها طاقة فجوة لتركيبها الجزيئي يتراوح بين (3,0-3,3 الكترون فولت) والتي تزداد مع انخفاض كمية البلاديوم المغلفة للمغنيسيوم على سطح هذه الجسيمات الناتجة. التحقق من قدرة الجسيمات المحضرة على امتصاص الهيدروجين تم من خلال دراسة العينات المحضرة باستخدام طريقتي الفحص( GravimetricوVolumetric)، وابدت قدرة عالية لامتصاص الهبدروجين. كما تم دراسة عينة تحوي على جسيمات بحجم 3,5 نانوميتر ونسبة مولية بين المغنيسيوم و البلاديوم تكافئ (Mg1Pd3), ووجد ان لها قدرة جيدة على امتصاص الهيدروجين بحيث امتصت ما نسبته (1,22% نسبة كتلية) و كونت هيدريدات بالشكل الجزيئي (Mg1Pd3H4.2)، مع سرعة امتصاص واستخلاص للهيدروجين الممتصة بنسبة تصل الى 100% في غضون دقائق معدودة.