Зелений синтез наночастинок оксиду міді з використанням рослини moringa oleifera та його подальша характеризація для використання у накопичувачах енергії

  • Імособоме Л. Іхіоя Факультет фізики та астрономії, Університет Нігерії, Нсукка, штат Енугу, Нігерія https://orcid.org/0000-0002-5959-4427
  • Едвін У. Оно Факультет фізики та астрономії, Університет Нігерії, Нсукка, штат Енугу, Нігерія
  • Агнес К. Нкеле Факультет фізики та астрономії, Університет Нігерії, Нсукка, штат Енугу, Нігерія; Факультет фізики, Університет штату Колорадо, Форт-Коллінз, США
  • Бонавентура К. Абор Факультет фізики та астрономії, Університет Нігерії, Нсукка, штат Енугу, Нігерія
  • Б.C.Н. Обіттe Факультет фізики та астрономії, Університет Нігерії, Нсукка, штат Енугу, Нігерія
  • М. Мааза Африканська мережа нанонаук (NANOAFNET) Національний дослідницький фонд iThemba LABS, Сомерсет Вест, Західна Капська провінція, Південна Африка; Африканська кафедра нанонаук/нанотехнологій ЮНЕСКО-UNISA, Коледж післядипломних досліджень, Університет Південної Африки (UNISA, хребет Макленек, Преторія, Південна Африка; Африканський центр передового досвіду для стійкої енергетики та енергетичного розвитку (ACE-SPED), Університет Нігерії, Нсукка
  • Фабіан І. Езема Факультет фізики та астрономії, Університет Нігерії, Нсукка, штат Енугу, Нігерія; Африканська мережа нанонаук (NANOAFNET) Національний дослідницький фонд iThemba LABS, Сомерсет Вест, Західна Капська провінція, Південна Африка; Африканська кафедра нанонаук/нанотехнологій ЮНЕСКО-UNISA, Коледж післядипломних досліджень, Університет Південної Африки (UNISA, хребет Макленек, Преторія, Південна Африка; Африканський центр передового досвіду для стійкої енергетики та енергетичного розвитку (ACE-SPED), Університет Нігерії, Нсукка
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-1-20
Ключові слова: наночастинки CuO, суперконденсатори, накопичувач енергії, Moringa oleifera, циклічна вольтамперометрія

Анотація

Основні моменти дослідження:

  • Успішний синтез наночастинок CuO з використанням екстрактів висушеної, дрібно подрібненої Moringa Oleifera як відновника/закриваючого агента
  • Зелені синтезовані наночастинки CuO продемонстрували суперємнісну поведінку.
  • Спектри відбиття демонструють, що матеріал демонструє низькі властивості відбивання в середньому ультрафіолетовому діапазоні.
  • Хороша абсорбція та низькі значення енергії забороненої зони (Eg = 2,5 еВ).
  • Потенційне застосування для суперконденсаторів та інших накопичувачів енергії

У цьому дослідженні ми описуємо екологічно чистий синтез оксиду міді (CuO) і його подальшу характеристику для використання в суперконденсаторах. Використовуючи екстракти висушеної, дрібно подрібненої Moringa Oleifera як відновлювача/блокуючого агента, ми створили CuO наночастинки (НЧ). Отримані НЧ потім досліджували за допомогою рентгенівського дифрактометра (XRD), ультрафіолетово-видимої спектроскопії, енергодисперсійної спектроскопії (EDS) і скануючої електронної мікроскопії (SEM). Методи електрохімічного аналізу, такі як циклічна вольтамперометрія (CV) і спектроскопія електрохімічного опору (EIS), були використані для вивчення електрохімічної поведінки електродів на основі CuO. Наступний аналіз визначив, що зелені синтезовані наночастинки CuO демонструють суперємнісну поведінку. Це свідчить про те, що синтезовані наночастинки CuO природним чином заохочуватимуть застосування як суперємнісних електродів, оскільки було виявлено, що поглинання наночастинок змінюється лінійно залежно від концентрації наночастинок, 0,6 моль наночастинок CuO дало найвищий показник поглинання 0,35 при 398 нм. Спектри відбиття демонструють, що матеріал демонструє низькі властивості відбиття в середньому ультрафіолетовому діапазоні. Однак, коли спектр рухається до області видимого світла, коефіцієнт відбиття зростає до максимального значення 16% у короткому ультрафіолетовому діапазоні. Розраховані розміри кристалітів такі: 0,2 моль CuO NP, 0,3 моль CuO NP, 0,4 моль CuO NP, 0,5 моль CuO NP і 0,6 моль CuO NP при 43,14 нм, 43,68 нм, 24,23 нм, 5,70 нм і 12,87 нм, відповідно, де Average D = 25,93 нм є середнім розміром кристалів для всіх зразків. Поява кубічних зерен, які нагадують нанострижні з трубчастими отворами, SEM-зображення демонструють, що НЧ CuO можна відрізнити одна від одної, як це видно у на 0,2 моль НЧ CuO.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

M. Heon, S. Lofland, J. Applegate, R. Nolte, E. Cortes, J.D. Hettinger, P.L. Taberna, P. Simon, P. Huang, M. Brunet, and Y. Gogotsi, “Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance”, Energy & Environmental Science, 4(1), 135-138D (2011). https://doi.org/10.1039/c0ee00404a

D. Ahn, I. Yoo, Y.M. Koo, N. Shin, J. Kim, and T.J. Shin, “Effects of cobalt-intercalation and polyaniline coating on electrochemical performance of layered manganese oxides”, Journal of Materials Chemistry, 21(14), 5282-5289 (2011). https://doi.org/10.1039/C0JM03548C

G. Wee, W.F. Mak, N. Phonthammachai, A. Kiebele, M.V. Reddy, B.V.R. Chowdari, G. Gruner, M. Srinivasan, and S.G. Mhaisalkar, “Particle size effect of silver nanoparticles decorated single walled carbon nanotube electrode for supercapacitors”, Journal of the Electrochemical Society, 157(2), A179 (2009). https://doi.org/10.1149/1.3267874

J. Liu, J. Wang, C. Xu, H. Jiang, C. Li, L. Zhang, J. Lin, and Z.X. Shen, “Advanced energy storage devices: basic principles, analytical methods, and rational materials design”, Advanced science, 5(1), 1700322 (2018). https://doi.org/10.1002/advs.201700322

H. Zhang, and M. Zhang, “Synthesis of CuO nanocrystalline and their application as electrode materials for capacitors”, Materials Chemistry and Physics, 108(2-3), 184-187 (2008). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2007.10.005

V.D. Patake, S.S. Joshi, C.D. Lokhande, and O.S. Joo, “Electrodeposited porous and amorphous copper oxide film for application in supercapacitor”, Materials Chemistry and Physics, 114(1), 6-9 (2009). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2008.09.031

X. Zhang, W. Shi, J. Zhu, D.J. Kharistal, W. Zhao, B.S. Lalia, H.H. Hng, and Q. Yan, “High-power and high-energy-density flexible pseudocapacitor electrodes made from porous CuO nanobelts and single-walled carbon nanotubes”, ACS nano, 5(3), 2013-2019 (2011). https://doi.org/10.1021/nn1030719

I.M. Tiginyanu, O. Lupan, V.V. Ursaki, L. Chow, and M. Enachi, “3-11 - Nanostructures of metal oxides”, Comprehensive Semiconductor Science and Technology, 3, 396-479 (2011). https://doi.org/10.1016/B978-0-44-453153-7.00105-X

S.E. Moosavifard, M.F. El-Kady, M.S. Rahmanifar, R.B. Kaner, and M.F. Mousavi, “Designing 3D highly ordered nanoporous CuO electrodes for high-performance asymmetric supercapacitors”, ACS applied materials & interfaces, 7(8), 4851-4860 (2015). https://doi.org/10.1021/am508816t

W. Xu, S. Dai, G. Liu, Y. Xi, C. Hu, and X. Wang, “CuO nanoflowers growing on carbon fiber fabric for flexible high-performance supercapacitors”, Electrochimica Acta, 203, 1-8 (2016). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.03.170

D.P. Dubal, G.S. Gund, R. Holze, H.S. Jadhav, C.D. Lokhande, and C.J. Park, “Surfactant-assisted morphological tuning of hierarchical CuO thin films for electrochemical supercapacitors”, Dalton Transactions, 42(18), 6459-6467 (2013). https://doi.org/10.1039/C3DT50275A

S.K. Shinde, D.P. Dubal, G.S. Ghodake, D.Y. Kim, and V.J. Fulari, “Nanoflower-like CuO/Cu (OH) 2 hybrid thin films: Synthesis and electrochemical supercapacitive properties”, Journal of Electroanalytical Chemistry, 732, 80-85 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2014.09.004

G. Fan, and F. Li, “Effect of sodium borohydride on growth process of controlled flower-like nanostructured Cu2O/CuO films and their hydrophobic property”, Chemical engineering journal, 167(1), 388-396 (2011). https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.12.090

H. Li, S. Yu, and X. Han, “Fabrication of CuO hierarchical flower-like structures with biomimetic superamphiphobic, self-cleaning and corrosion resistance properties”, Chemical Engineering Journal, 283, 1443-1454 (2016). https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.08.112

Y. Ma, H. Li, R. Wang, H. Wang, W. Lv, and S. Ji, “Ultrathin willow-like CuO nanoflakes as an efficient catalyst for electro-oxidation of hydrazine”, Journal of Power Sources, 289, 22-25 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.04.151

Y. Ma, H. Wang, J. Key, S. Ji, W. Lv, and R. Wang, “Control of CuO nanocrystal morphology from ultrathin “willow-leaf” to “flower-shaped” for increased hydrazine oxidation activity”, Journal of Power Sources, 300, 344-350 (2015). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.09.087

D.P. Dubal, G.S. Gund, R. Holze, and C.D. Lokhande, “Mild chemical strategy to grow micro-roses and micro-woolen like arranged CuO nanosheets for high performance supercapacitors”, Journal of Power Sources, 242, 687-698 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.013

G. Wang, J. Huang, S. Chen, Y. Gao, and D. Cao, “Preparation and supercapacitance of CuO nanosheet arrays grown on nickel foam”, Journal of Power Sources, 196(13), 5756-5760 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.02.049

A.C. Nwanya, D. Obi, K.I. Ozoemena, R.U. Osuji, C. Awada, A. Ruediger, M. Maaza, F. Rosei, and F.I. Ezema, “Facile synthesis of nanosheet-like CuO film and its potential application as a high-performance pseudocapacitor electrode”, Electrochimica Acta, 198, 220-230 (2016). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.03.064

W. Zhang, H. Wang, Y. Zhang, Z. Yang, Q. Wang, J. Xia, and X. Yang, “Facile microemulsion synthesis of porous CuO nanosphere film and its application in lithium-ion batteries”, Electrochimica Acta, 113, 63-68 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.043

J. Wang, and W.D. Zhang, “Fabrication of CuO nanoplatelets for highly sensitive enzyme-free determination of glucose”, Electrochimica Acta, 56(22), 7510-7516 (2011). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.06.102

F. Cao, X.H. Xia, G.X. Pan, J. Chen, and Y.J. Zhang, “Construction of carbon nanoflakes shell on CuO nanowires core as enhanced core/shell arrays anode of lithium ion batteries”, Electrochimica Acta, 178, 574-579 (2015). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.08.055

B. Heng, C. Qing, D. Sun, B. Wang, H. Wang, and Y. Tang, “Rapid synthesis of CuO nanoribbons and nanoflowers from the same reaction system, and a comparison of their supercapacitor performance”, RSC advances, 3(36), 15719-15726 (2013). https://doi.org/10.1039/C3RA42869A

Z. Zhang, H. Che, Y. Wang, L. Song, Z. Zhong, and F. Su, “Preparation of hierarchical dandelion-like CuO microspheres with enhanced catalytic performance for dimethyldichlorosilane synthesis”, Catalysis Science & Technology, 2(9), 1953-1960 (2012). https://doi.org/10.1039/C2CY20199B

M.J. Deng, C.C. Wang, P.J. Ho, C.M. Lin, J.M. Chen, and K.T. Lu, “Facile electrochemical synthesis of 3D nano-architectured CuO electrodes for high-performance supercapacitors”, Journal of Materials Chemistry A, 2(32), 12857-12865 (2014). https://doi.org/10.1039/C4TA02444C

A. Vlad, N. Singh, J. Rolland, S. Melinte, P.M. Ajayan, and J.F. Gohy, “Hybrid supercapacitor-battery materials for fast electrochemical charge storage”, Scientific reports, 4, 4315 (2014). https://doi.org/10.1038/srep04315

G. Wang, L. Zhang, and J. Zhang, “A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors”, Chemical Society Reviews, 41(2), 797-828 (2012). https://doi.org/10.1039/C1CS15060J

X. Zhang, W. Shi, J. Zhu, D.J. Kharistal, W. Zhao, B.S. Lalia, H.H. Hng, and Q. Yan, “High-power and high-energy-density flexible pseudocapacitor electrodes made from porous CuO nanobelts and single-walled carbon nanotubes”, ACS nano, 5(3), 2013-2019 (2011). https://doi.org/10.1021/nn1030719

T.M. Abdelghany, A.M. Al-Rajhi, M.A. Al Abboud, M.M. Alawlaqi, A. GanashMagdah, E.A. Helmy, and A.S. Mabrouk, “Recent advances in green synthesis of silver nanoparticles and their applications: about future directions. A review”, BioNanoScience, 8(1), 5-16 (2018). https://doi.org/10.1007/S12668-017-0413-3

M. Nasrollahzadeh, F. Ghorbannezhad, Z. Issaabadi, and S.M. Sajadi, “Recent developments in the biosynthesis of Cu‐based recyclable nanocatalysts using plant extracts and their application in the chemical reactions”, The Chemical Record, 19(2-3), 601 643 (2019). https://doi.org/10.1002/tcr.201800069

M. Nasrollahzadeh, S. Mahmoudi‐GomYek, N. Motahharifar, and M.G. Gorab, “Recent developments in the plant‐mediated green synthesis of Ag‐based nanoparticles for environmental and catalytic applications”, The Chemical Record, 19(12), 2436 2479 (2019). https://doi.org/10.1002/tcr.201800202

M. Nasrollahzadeh, M. Atarod, M. Sajjadi, S.M. Sajadi, and Z. Issaabadi, “Plant-mediated green synthesis of nanostructures: mechanisms, characterization, and applications”, in: Interface science and technology, Vol. 28, (Elsevier, Amsterdam, 2019). pp. 199-322.

M. Shah, D. Fawcett, and S. Sharma, S.K. Tripathy and G.E.J. Poinern, “Green Synthesis of Metallic Nanoparticles via Biological Entities”, Materials (Basel), 8(11), 7278–7308 (2015). https://doi.org/10.3390%2Fma8115377

V.V. Gusel'nikova, and D. Korzhevskiy, “NeuN as a neuronal nuclear antigen and neuron differentiation marker”, Acta Naturae, 7(2), 42-47 (2015). https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26085943

C.P. Devatha, and A.K. Thalla, “Green synthesis of nanomaterials”, Synthesis of inorganic nanomaterials, 169-184 (2018). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101975-7.00007-5

H. Duan, D. Wang, and Y. Li, “Green chemistry for nanoparticle synthesis”, Chemical Society Reviews, 44(16), 5778-5792 (2015). https://doi.org/10.1039/C4CS00363B

L. Gopalakrishnan, K. Doriya, and D.S. Kumar, “Moringa oleifera: A review on nutritive importance and its medicinal application”, Food science and human wellness, 5(2), 49-56 (2016). https://doi.org/10.1016/j.fshw.2016.04.001

R.K. Saini, I. Sivanesan, and Y.S. Keum, “Phytochemicals of Moringa oleifera: a review of their nutritional, therapeutic and industrial significance”, Biotech, 6(2), 1-14 (2016). https://doi.org/10.1007/s13205-016-0526-3

P. Scherrer, “Bestimmungdergrosse und der innerenstruktur yon kolloiteilchenmittels”, Gott. Nachr Math. Phys, 2, 98-100 (1918).

S.K. Shindea, M.B. Jalak, G.S. Ghodake, N.C. Maile, V.S. Kumbhar, D.S. Lee, V.J. Fulari, and D.-Y. Kim, “Chemically synthesized nanoflakes-like NiCo2S4 electrodes for high-performance supercapacitor application”, Appl. Surf. Sci. 466, 822 829 (2019). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.10.100

H.E. Nsude, K.U. Nsude, G.M. Whyte, R.M. Obodo, C. Iroegbu, M. Maaza, and F.I. Ezema, “Green synthesis of CuFeS2 nanoparticles using mimosa leaves extract for photocatalysis and supercapacitor applications”, Journal of Nanoparticle Research, 22(11), 1-13 (2020). https://doi.org/10.1007/s11051-020-05071-7

S. Najib, F. Bakan, N. Abdullayeva, R. Bahariqushchi, S. Kasap, G. Franzò, et al, “Tailoring morphology to control defect structures in ZnO electrodes for high-performance supercapacitor devices”, Nanoscale, 12(30), 16162-16172 (2020). https://doi.org/10.1039/D0NR03921G

M.Ö. Alaş, A. Güngör, R. Genç, and E. Erdem, “Feeling the power: robust supercapacitors from nanostructured conductive polymers fostered with Mn 2+ and carbon dots”, Nanoscale, 11(27), 12804-12816 (2019). https://doi.org/10.1039/C9NR03544C

M. Toufani, S. Kasap, A. Tufani, F. Bakan, S. Weber, and E. Erdem, “Synergy of nano-ZnO and 3D-graphene foam electrodes for asymmetric supercapacitor devices”, Nanoscale, 12(24), 12790-12800 (2020). https://doi.org/10.1039/D0NR02028A

A.O. Aliyu, S. Garba, and O. Bognet, “Green Synthesis, Characterization and Antimicrobial Activity of Vanadium Nanoparticles Using Leaf Extract of Moringa Oleifera,” 11(1), 42–48 (2018). https://doi.org/10.9790/5736-1101014248

A.A. Radhakrishnan, and B.B. Beena, “Structural and Optical Absorption Analysis of CuO Nanoparticles”, Indian Journal of Advances in Chemical Science, 2(2), 158–161 (2014). https://www.ijacskros.com/artcles/IJACS-M64.pdf

D. Deng, T. Qi, Y. Chen, Y. Jin, and F. Xiao, “Preparation of antioxidative nano copper pastes for printed electronics application,” in: 13th International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, (2012). pp. 250-253. https://doi.org/10.1109/ICEPT-HDP.2012.6474611

S.F. Shaffiey, M. Shapoori, A. Bozorgnia, and M. Ahmadi, “Synthesis and evaluation of bactericidal properties of CuO nanoparticles against Aeromonas hydrophila”, Nanomedicine Journal, 1(3), 198–204 (2014). https://doi.org/10.7508/nmj.2014.03.010

Опубліковано
2023-03-02
Цитовано
Як цитувати
Іхіоя, І. Л., Оно, Е. У., Нкеле, А. К., Абор, Б. К., ОбіттeБ., Мааза, М., & Езема, Ф. І. (2023). Зелений синтез наночастинок оксиду міді з використанням рослини moringa oleifera та його подальша характеризація для використання у накопичувачах енергії. Східно-європейський фізичний журнал, (1), 162-172. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-1-20
Номер
№ 1 (2023): East European Journal of Physics
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2023 Імособоме Л. Іхіоя, Едвін У. Оно, Агнес К. Нкеле, Бонавентура К. Абор, B.C.N. Обіттe, М. Мааза, Фабіан І. Езема

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).