Insights on the synthesis mechanism of green phenolic resin derived porous carbons via a salt-soft templating approach

International audienceA combined salt-soft template approach to synthesize porous carbon materials is reported along with their synthesis mechanism. This consists in the evaporation induced self-assembly (EISA) of aqueous solutions containing green phenolic resins, a triblock copolymer template and a metallic salt, followed by thermal treatment and washing. The increase of pH up to 5 using NaOH, induces significant improvement in the carbon microporosity but in the detrimental of mesoporosity. As suggest by 13 C and 1 H NMR, the mesoporosity lost is caused by the decrease of H-bonding and self-assembly between the phenolic resin and the template due to the strong "salting-out" effect of eOH ions. For higher pH (pH-9), the porosity start to decrease and graphene-sheet like morphology is formed. The microporosity varies with the salt in the following order: KCl > NaCl > LiCl, while the mesoporosity in the opposite way. The structure changes as well from smooth turbostatic (KCl) to defective graphitic one (NaCl, LiCl). These textural and structural modifications are explained in terms of cation hydration enthalpy and cation-p binding energy and by the competition between the metal salt cations and the Na ions (used to regulate the pH) for water or phenolic resin aromatic ring sites

Direct synthesis of graphitic mesoporous carbon from green phenolic resins exposed to subsequent UV and IR laser irradiations

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Eco-Friendly Synthesis of Nitrogen-Doped Mesoporous Carbon for Supercapacitor Application

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Self-supported binder-free hard carbon electrodes for sodium-ion batteries: insights into their sodium storage mechanisms

Hard carbons are one of the most promising negative electrode materials for sodium-ion batteries (NIBs). In contrast to most of the published works employing powder-like electrodes containing binders, additives and solvents, we report herein an innovative way to prepare binder-free electrodes by simple impregnation of cellulose and cotton filter papers with a phenolic resin solution. The latter enables improvement of the poor mechanical properties and thermal stability observed for pristine hard carbon self-standing electrodes (SSEs) along with the carbon yield. A high reversible specific capacity and long-term stability were observed for cellulose compared to those of cotton-based SSEs in NIBs, i.e., 240 mAh·g-1 vs. 140 mAh·g-1, respectively, for C/10 rate and high mass loading (~5.2 mg·cm-2). This could be ascribed to the larger amount of defects on cellulose than cotton as quantified by temperature programmed desorption coupled with mass-spectrometry (TPD-MS), the structure and porosity being similar for both materials. Furthermore, the addition of a conductive sputter coating on the cellulose SSE surface improved the reversible specific capacity (to ~300 mAh·g-1) and initial coulombic efficiency (ICE) (to 85%). Operando X-ray diffraction (XRD) was performed to provide additional insights on the Na storage mechanisms. Although no shift was noticed for the graphite (002) diffraction peak, clear evidence of sodium intercalation was observed in the plateau region appearance of a new diffraction peak (~28.0° 2θ) likely associated with a sodium intercalation compound. Consequently, the sloping region could be related to the Na+ adsorption on hard carbon defects and pores

Ultrasmall MgH_2 Nanoparticles Embedded in an Ordered Microporous Carbon Exhibiting Rapid Hydrogen Sorption Kinetics

MgH_2 nanoparticles with different average sizes have been prepared as ordered microporous carbon by tuning the Mg amount from 15 to 50 wt %. Ultrasmall particles with mean sizes of 1.3 and 3.0 nm have been obtained for 15 and 25 wt % Mg contents, respectively. The hydrogen desorption properties strongly depend on the nanoparticle size, as evidenced by different thermal analysis techniques. The onset temperature of hydrogen desorption for MgH_2 nanoparticles below 3 nm occurs at a temperature about 245 K lower than for microcrystalline material. Two distinct hydrogen desorption peaks are noticed for nanoparticles with mean sizes of 1.3 and 3.0 nm, as confirmed by TDS and HP-DSC. 1H NMR investigations suggest the presence of two MgH_2 populations with enhanced hydrogen mobility, as compared to the microcrystalline hydride. The short hydrogen diffusion path and the enhanced hydrogen mobility may explain the increased desorption kinetics of these ultrasmall nanoparticles

Preparation and characterization of métal oxide semiconductor thin films for the detection of pollutant atmospheric gases

La demande de capteurs de gaz performants simples, petits, et de faible coût est d'un grand intérêt si l'on prend en considération les problèmes de santé et d'environnement. C'est pourquoi nous avons décidé de développer la fabrication de couches minces d'oxydes métalliques semiconducteurs, qui présentent une bonne affinité vis-à-vis de beaucoup de gaz polluants, mais, qui, cependant, présentent un problème de sensibilité croisée et, qui, aussi, doivent fonctionner à températures élevées. Ces couches minces (SnO2, SnO2 dopé cuivre, WO3, In2O3, In2O3 dopé étain, ZnO) ont été déposées sur des plaquettes d'alumine recouverte partiellement de platine à l'aide d'une nouvelle technique de déposition: le Spray électrostatique, qui permet une grande flexibilité des paramètres de déposition (température, débit, vitesse du flux,…..). La Microscopie Electronique en Balayage et en Transmission ont révélé une nano structure homogène dont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par Dispersion et Diffraction de Rayons X, ainsi que la spectroscopie Raman ont montré que ces couches minces ont obtenu la cristallinité désirée, ainsi qu'une bonne pureté, pour l'emploi en capteurs de gaz. Nous avons alors évalué les performances des couches minces pour la détection de différents gaz polluants de nature réductrice ou oxydante: H2S, SO2, NO2. De toutes les compositions étudiées, c'est l'oxyde d'étain dopé de 1% de cuivre (Cu-SnO2) qui s'est montré le plus sensible pour la détection de H2S, à basse température, sans présenter de sensibilité croisée aux deux autres gaz. Les couches minces d'oxyde de tungstène (WO3) présentent la meilleure sensibilité pour NO2, à 150°C, de toutes les compositions. Malheureusement, la réponse à NO2 interfère avec la réponse à H2S. Pour lever cette ambiguïté, on peut utiliser des couches minces d'oxyde de zinc (ZnO), qui présente une très grande sensibilité à NO2, par rapport à SO2 et H2S. Enfin, nous avons trouvé que toutes les compositions de couches minces étaient pratiquement insensibles à SO2. Sur la base de ces résultats, nous pouvons proposer la conception d'une matrice miniaturisée de capteurs permettant de détecter et de quantifier un mélange des gaz H2S/NO2The demand of simple, small, low cost and performing gas sensors for the detection of pollutant gases is of great interest taking into consideration the health and environmental problems. For this purpose we decided to develop thin films of metal oxide semiconductors which present a good affinity to many pollutant gases, but, which, however present a problem of cross-sensitivity and, additionally, which must work at elevated temperatures. These thin films (SnO2, Cu-doped SnO2, WO3, In2O3, Sn-doped In2O3 and ZnO) have been deposited on Pt- partially coated alumina using a novel innovative technique, i.e., Electrostatic Spray Deposition allowing easy deposition parameter (temperature, flow rate, time etc.) variation. Homogeneous, nano-structured films with desired porous morphology have been obtained as revealed by Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy techniques. The microstructure studied using Energy Dispersive X-ray Analysis, X-ray Diffraction respectively Raman spectroscopy methods showed that we have successfully obtained the desired crystallinity and a good purity of the films for gas sensor use. The sensing performance of the films to different oxidizing and reducing pollutant gases (H2S, SO2 and NO2) has been yet evaluated. From all the studied films, the 1% Cu-doped SnO2 ones proves to be the most sensitive for the detection of H2S at low operating temperatures and furthermore present no cross-sensitivity for the two other gases. WO3 films presents the highest sensitivity to NO2 at 150°C compared with all the other composition films, but unfortunately the NO2 response interferes with the H2S response. To avoid this ambiguity, we can use ZnO films, which present a very high sensitivity to NO2 compared to SO2 and H2S response. Additionally, all the films were almost insensitive to SO2. On the base of these results we can propose the conception of a competitive miniaturized sensor array dedicated to detect and to quantify a H2S/NO2 mixtur

Elaboration et caractérisation de couches mince d'oxydes métalliques pour la détection de gaz polluants atmosphériques

La demande de capteurs de gaz performants simples, petits, et de faible coût est d'un grand intérêt si l'on prend en considération les problèmes de santé et d'environnement. C'est pourquoi nous avons décidé de développer la fabrication de couches minces d'oxydes métalliques semiconducteurs, qui présentent une bonne affinité vis-à-vis de beaucoup de gaz polluants, mais, qui, cependant, présentent un problème de sensibilité croisée et, qui, aussi, doivent fonctionner à températures élevées. Ces couches minces (SnO2, SnO2 dopé cuivre, WO3, In2O3, In2O3 dopé étain, ZnO) ont été déposées sur des plaquettes d'alumine recouverte partiellement de platine à l'aide d'une nouvelle technique de déposition: le Spray électrostatique, qui permet une grande flexibilité des paramètres de déposition (température, débit, vitesse du flux, ..). La Microscopie Electronique en Balayage et en Transmission ont révélé une nano structure homogène dont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par Dispersion et Diffraction de Rayons X, ainsi que la spectroscopie Raman ont montré que ces couches minces ont obtenu la cristallinité désirée, ainsi qu'une bonne pureté, pour l'emploi en capteurs de gaz. Nous avons alors évalué les performances des couches minces pour la détection de différents gaz polluants de nature réductrice ou oxydante: H2S, SO2, NO2. De toutes les compositions étudiées, c'est l'oxyde d'étain dopé de 1% de cuivre (Cu-SnO2) qui s'est montré le plus sensible pour la détection de H2S, à basse température, sans présenter de sensibilité croisée aux deux autres gaz. Les couches minces d'oxyde de tungstène (WO3) présentent la meilleure sensibilité pour NO2, à 150C, de toutes les compositions. Malheureusement, la réponse à NO2 interfère avec la réponse à H2S. Pour lever cette ambiguïté, on peut utiliser des couches minces d'oxyde de zinc (ZnO), qui présente une très grande sensibilité à NO2, par rapport à SO2 et H2S. Enfin, nous avons trouvé que toutes les compositions de couches minces étaient pratiquement insensibles à SO2. Sur la base de ces résultats, nous pouvons proposer la conception d'une matrice miniaturisée de capteurs permettant de détecter et de quantifier un mélange des gaz H2S/NO2The demand of simple, small, low cost and performing gas sensors for the detection of pollutant gases is of great interest taking into consideration the health and environmental problems. For this purpose we decided to develop thin films of metal oxide semiconductors which present a good affinity to many pollutant gases, but, which, however present a problem of cross-sensitivity and, additionally, which must work at elevated temperatures. These thin films (SnO2, Cu-doped SnO2, WO3, In2O3, Sn-doped In2O3 and ZnO) have been deposited on Pt- partially coated alumina using a novel innovative technique, i.e., Electrostatic Spray Deposition allowing easy deposition parameter (temperature, flow rate, time etc.) variation. Homogeneous, nano-structured films with desired porous morphology have been obtained as revealed by Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy techniques. The microstructure studied using Energy Dispersive X-ray Analysis, X-ray Diffraction respectively Raman spectroscopy methods showed that we have successfully obtained the desired crystallinity and a good purity of the films for gas sensor use. The sensing performance of the films to different oxidizing and reducing pollutant gases (H2S, SO2 and NO2) has been yet evaluated. From all the studied films, the 1% Cu-doped SnO2 ones proves to be the most sensitive for the detection of H2S at low operating temperatures and furthermore present no cross-sensitivity for the two other gases. WO3 films presents the highest sensitivity to NO2 at 150C compared with all the other composition films, but unfortunately the NO2 response interferes with the H2S response. To avoid this ambiguity, we can use ZnO films, which present a very high sensitivity to NO2 compared to SO2 and H2S response. Additionally, all the films were almost insensitive to SO2. On the base of these results we can propose the conception of a competitive miniaturized sensor array dedicated to detect and to quantify a H2S/NO2 mixtureMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF

Préparation et caractérisation de couches minces d'oxides métalliques semiconducteurs pour la détection de gaz polluants atmosphériques

La demande de capteurs de gaz performants simples, petits, et de faible coût est d'un grand intérêt si l'on prend en considération les problèmes de santé et d'environnement. C'est pourquoi nous avons décidé de développer la fabrication de couches minces d'oxydes métalliques semiconducteurs, qui présentent une bonne affinité vis-à-vis de beaucoup de gaz polluants, mais, qui, cependant, présentent un problème de sensibilité croisée et, qui, aussi, doivent fonctionner à températures élevées. Ces couches minces (SnO2, SnO2 dopé cuivre, WO3, In2O3, In2O3 dopé étain, ZnO) ont été déposées sur des plaquettes d'alumine recouverte partiellement de platine à l'aide d'une nouvelle technique de déposition: le Spray électrostatique, qui permet une grande flexibilité des paramètres de déposition (température, débit, vitesse du flux, ..). La Microscopie Electronique en Balayage et en Transmission ont révélé une nano structure homogènedont la morphologie présente la porosité désirée. Les analyses par Dispersion et Diffraction de Rayons X, ainsi que la spectroscopie Raman ont montré que ces couches minces ont obtenu la cristallinité désirée, ainsi qu'une bonne pureté, pour l'emploi en capteurs de gaz. Nous avons alors évalué les performances des couches minces pour la détection de différents gaz polluants de nature réductrice ou oxydante: H2S, SO2, NO2. De toutes les compositions étudiées, c'est l'oxyde d'étain dopé de 1% de cuivre (Cu-SnO2) qui s'est montré le plus sensible pour la détection de H2S, à basse température, sans présenter de sensibilité croisée aux deux autres gaz. Les couches minces d'oxyde de tungstène (WO3) présentent la meilleure sensibilité pour NO2, à 150C, de toutes les compositions. Malheureusement, la réponse à NO2 interfère avec la réponse à H2S. Pour lever cette ambiguïté, on peut utiliser des couches minces d'oxyde de zinc (ZnO), qui présente une très grande sensibilité à NO2, par rapport à SO2 et H2S. Enfin, nous avons trouvé que toutes les compositions de couches minces étaient pratiquement insensibles à SO2. Sur la base de ces résultats, nous pouvons proposer la conception d'une matrice miniaturisée de capteurs permettant de détecter et de quantifier un mélange des gaz H2S/NO2The demand of simple, small, low cost and performing gas sensors for the detection of pollutant gases is of great interest taking into consideration the health and environmental problems. For this purpose we decided to develop thin films of metal oxide semiconductors which present a good affinity to many pollutant gases, but, which, however present a problem of cross-sensitivity and, additionally, which must work at elevated temperatures. These thin films (SnO2, Cu-doped SnO2, WO3, In2O3, Sn-doped In2O3 and ZnO) have been deposited on Pt- partially coated alumina using a novel innovative technique, i.e., Electrostatic Spray Deposition allowing easy deposition parameter (temperature, flow rate, time etc.) variation. Homogeneous, nano-structured films with desired porous morphology have been obtained as revealed by Scanning Electron Microscopy and Transmission Electron Microscopy techniques. The microstructure studied using Energy Dispersive X-ray Analysis, X-ray Diffraction respectively Raman spectroscopy methods showed that we have successfully obtained the desired crystallinity and a good purity of the films for gas sensor use. The sensing performance of the films to different oxidizing and reducing pollutant gases (H2S, SO2 and NO2) has been yet evaluated. From all the studied films, the 1% Cu-doped SnO2 ones proves to be the most sensitive for the detection of H2S at low operating temperatures and furthermore present no cross-sensitivity for the two other gases. WO3 films presents the highest sensitivity to NO2 at 150C compared with all the other composition films, but unfortunately the NO2 response interferes with the H2S response. To avoid this ambiguity, we can use ZnO films, which present a very high sensitivity to NO2 compared to SO2 and H2S response. Additionally, all the films were almost insensitive to SO2. On the base of these results we can propose the conception of a competitive miniaturized sensor array dedicated to detect and to quantify a H2S/NO2 mixtureMETZ-SCD (574632105) / SudocSudocFranceF