Name: 电化学 CO2还原的过渡金属单原子催化剂的合成及性能表征 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-10T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 57 s
Description: 了解过渡金属单原子催化剂的合成与电化学性能表征方法，用于选择性还原二氧化碳。本方案展示在石墨烯空位中配位镍单原子的制备流程及其在水溶液中的催化活性。

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本研究工作得到了哈佛大学罗兰研究所罗兰学者项目的支持。本工作部分在哈佛大学的纳米系统中心（CNS）完成，该中心是国家纳米技术基础设施网络的成员，由美国国家科学基金会资助，资助编号为ECS-0335765。纳米系统中心隶属于哈佛大学。

1. 镍单原子催化剂（NiN-GS）的制备
<ol>
	<li>静电纺丝前驱体溶液的制备
	<ol>
		<li>取一个 20 mL 闪烁瓶，将 0.5 g 聚丙烯腈（Mw=150,000）、0.5 g 聚吡咯烷酮（Mw=1,300,000）、0.5 g 硝酸镍六水合物（Ni(NO3)2·6H2O）和 0.1 g 双氰胺（DCDA）溶于 10 mL 二甲基甲酰胺（DMF）中。</li>
		<li>将 DMF 混合物加热至 80 °C，并在 80 °C 下持续搅拌，直至所有聚合物和盐完全溶解，得到澄清溶液。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>静电纺丝制备聚合物纤维
	<ol>
		<li>设定常规静电纺丝参数：静态电压 15 kV，空气间隙距离 15 cm，收集基底为 8 × 8 cm 的碳纤维纸（CFP），施加 -4 kV 电压。</li>
		<li>用 5 mL 注射器吸取 5 mL 前驱体溶液，以 1.2 mL h−1 的流速启动注射泵，随后开始静电纺丝。 
		注意：静电纺丝过程中使用高电压。尽管纺丝时系统通过的电流极低，仍建议使用绝缘木制柜进行防护。</li>
		<li>静电纺丝完成后取出 CFP 基底，此时聚合物纤维膜已覆盖在 CFP 表面。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>退火处理将聚合物纤维转化为碳纳米管
	<ol>
		<li>将制得的聚合物纤维膜/CFP 在马弗炉中以 1.5 小时升至 300 °C，并在该温度下保温 0.5 小时，以氧化聚合物。 
		注意：氧化处理后，纳米纤维（NFs）会从碳纸上自行脱落，形成自支撑薄膜。</li>
		<li>使用剪刀将纳米纤维剪成较小片状（约 0.5 cm × 2 cm），并放入石英舟中。</li>
		<li>将石英舟置于管式炉中，在还原气氛（5% H2/Ar）下进行除气处理。保持气体流速为 100 sccm，压力为 1 Torr。</li>
		<li>以 10 分钟升温至 300 °C，再用 2 小时升温至 750 °C，在 750 °C 下保温 1 小时，随后自然冷却。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将合成的 NiN-GS 催化剂进行 5 分钟球磨处理，得到用于催化和表征的纳米粉末。</li>
</ol>
2. 电化学 CO2 还原测量
<ol>
	<li>细胞与电极
	<ol>
		<li>配制 0.1 M KHCO₃ 溶液3 用于后续测量的电解质溶液，首先将 2.5 g KHCO₃ 溶解于3 在250 mL超纯水中溶解后，使用两个石墨棒在0.1 mA电流下电解24小时以去除任何痕量金属离子，从而纯化电解液。</li>
		<li>取一个新鲜（电化学）抛光的玻碳电极（1 cm &#215; 2 cm），并用一种电化学惰性、疏水性的石蜡覆盖其背面，作为工作电极基底。</li>
		<li>取一个4 mL闪烁瓶，将5 mg新制备的NiN-GS催化剂与1 mL乙醇混合 100 &#181;L 将离聚物溶液（5% 的 2-丙醇溶液）加入小瓶中，并超声处理 20 分钟，以获得均匀的催化剂油墨悬浮液。</li>
		<li>移液器 80 &#181;L 将催化剂油墨涂覆到2 cm2 玻璃碳表面（0.2 mg cm⁻²）-2 质量负载），并在使用前将覆盖催化剂的电极置于干燥器中真空干燥。</li>
		<li>使用铂箔作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。</li>
		<li>使用定制的耐压H型玻璃电解池，以质子交换膜分隔，用于上述三电极的组装及电化学测试的进行。</li>
		<li>将工作电极和SCE参比电极置于H型电解池的一个腔室中，铂箔电极置于另一腔室。在H型电解池的每个腔室中注入约25 mL电解液。</li>
		<li>将H型电解池中的3个电极连接至电化学工作站以控制电位。</li>
		<li>用 N₂ 气体吹扫电解液2 以50.0 sccm（通过质量流量控制器监测）的流速向N方向通入30分钟2-饱和的 0.1 M KHCO₃3.</li>
		<li>在EC-Lab软件中选择循环伏安法（CV）技术，设置 &#34;E 范围（电位）&#34; 作为 &#34;-10 V 至 10 V&#34;, &#34;I 范围（电流）&#34; 作为 &#34;自动&#34;，以50 mV/s的扫描速率在氮气氛围下相对于SCE从-0.5 V连续扫描至-1.8 V，进行5次循环伏安扫描2-饱和的 0.1 M KHCO₃3.</li>
		<li>调节至 50 sccm CO2 气体流速，向 CO 方向等待 30 分钟2-饱和的 0.1 M KHCO₃3 电解质并保持相同的 CO2 电解过程中持续流动。</li>
		<li>在EC-Lab软件中选择CV技术，设置 &#34;E 范围（电位）&#34; 作为 &#34;-10 V 至 10 V&#34;, &#34;I 范围（电流）&#34; 作为 &#34;自动&#34;，以50 mV/s的扫描速率在-0.5 V至-1.8 V（相对于SCE）范围内连续进行5次循环伏安扫描2-饱和的 0.1 M KHCO₃3.</li>
		<li>使用 pH 计测定电解质的 pH 值， 即，0.1 M KHCO₃3 饱和于 N2 或 CO2.</li>
		<li>本工作中，将所有相对于饱和甘汞电极（SCE）测得的电位转换为可逆氢电极（RHE）标度，转换公式为：E（vs RHE）= E（vs SCE）+ 0.244 V + 0.0591 &#215; pH</li>
		<li>测定溶液电阻（Ru在EC-Lab软件中选择恒电位电化学阻抗谱（PEIS）技术，设置频率范围为0.1 Hz至200 kHz，记录电阻值。</li>
		<li>手动补偿 iR-表示为 E (iR 校正后 vs RHE) = E (vs RHE) - Ru &#215; I（平均电流，单位：安培）</li>
	</ol>
	</li>
	<li>CO2 在线气相色谱法（GC）分析还原产物
	<ol>
		<li>采用配备分子筛5A与微填充柱组合的气相色谱仪（GC），用于分析CO反应过程中的气体产物2RR. 
		注意：详细的气相色谱柱类型见附件 材料表.</li>
		<li>使用热导检测器（TCD）定量检测H2 浓度，并使用配备甲烷化器的火焰离子化检测器（FID）对CO含量和/或任何其他烷烃组分进行定量分析。</li>
		<li>使用两种不同的标准气体来绘制 H 的校准曲线2 和 CO 浓度（H2：100 和 1042 ppm；CO：100 和 496.7 ppm；以氩气为平衡气。</li>
		<li>电解过程中，保持 CO2 气体流速为 50.0 sccm，输送 CO2 进入含有 CO 的阴极室2-饱和的 0.1 M KHCO₃3 电解质，并将废气通入气相色谱仪。</li>
		<li>逐步调节工作电极上的电压，范围从 -0.3 至 -1.0 V（相对于 RHE），每个电位保持约 15 分钟，并记录相应的计时安培曲线。</li>
		<li>测定 H2 分别根据TCD和FID信号测定排气中的CO和碳氢化合物含量。 
		注意：在每个电位下持续电解约 10 分钟后采集气体产物。50 sccm CO2 气体，与持续生成的 H 混合2 在电解过程中，CO 和载气流经气相色谱仪的进样环（1 mL）。</li>
		<li>根据以下方法计算特定气体产物的偏电流密度： 
		<img alt="方程" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq2.jpg" /> 
		其中 xi 由在线气相色谱法测定的特定产物体积分数，参照两种标准气体样品（Scott 和 Airgas）的校准曲线确定， v 50 sccm 的流速 ni 是参与反应的电子数， p0 = 101.3 kPa，且 F 是法拉第常数，且 R 是气体常数。</li>
		<li>在每个电位下计算相应的法拉第效率（FE） <img alt="方程" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq7.jpg" />. 
		注意：由于气体流速、电流密度以及气相色谱气体浓度分析的误差，总法拉第效率可能在90%至110%之间。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Lewis, N. S., Nocera, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Powering+the+planet%3A+Chemical+challenges+in+solar+energy+utilization%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 15729-15735 (2006).</li>
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<li>Jiang, K., Wang, H., Cai, W. B., Wang, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Li+Electrochemical+Tuning+of+Metal+Oxide+for+Highly+Selective+CO2+Reduction%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Li Electrochemical Tuning of Metal Oxide for Highly Selective CO2 Reduction.</a> ACS Nano. 11, 6451-6458 (2017).</li>
<li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.7b02380">Silver Nanoparticles with Surface-Bonded Oxygen for Highly Selective CO2 Reduction.</a> ACS Sustain Chem. Eng. 5, 8529-8534 (2017).</li>
<li>Siahrostami, S., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.7b03031">Theoretical Investigations into Defected Graphene for Electrochemical Reduction of CO2.</a> ACS Sustain Chem. Eng. 5, 11080-11085 (2017).</li>
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</ol>

在上述静电纺丝过程中，材料合成步骤中有两个关键环节需要注意：1）加热DMF混合物（步骤1.1.2）；2）调节泵送速率（步骤1.2.2），以匹配纺丝速率。如图1A中的扫描电镜（SEM）图像所示，所获得的碳纳米纤维相互连接，直径约为200 nm。这些纤维经球磨破碎成小片段用于表征，如图1B所示。Ni纳米颗粒均匀分布在碳纳米纤维中。在高温下，碳原子与Ni形成合金，在冷却过程中析出，并在Ni金属表面催化形成石墨烯层。通过像差校正的扫描透射电子显微镜（STEM）对Ni纳米颗粒进行更细致的观察（图1C）发现，该纳米颗粒被数层（约10 nm）石墨烯紧密包覆，平均层间距约为0.34 nm，证实了包覆结构的存在。在石墨烯壳层（GS）内部未观察到Ni团簇。该壳层可防止Ni纳米颗粒与水相电解质直接接触，从而显著抑制析氢反应（HER）。表面壳层中Ni原子的存在通过能量色散X射线光谱（EDS）元素映射得到证实，如图1D所示。左...

转化CO2 利用清洁电力将二氧化碳转化为化学品或燃料，正作为一种潜在途径以防止进一步的二氧化碳排放，其重要性日益凸显2 排放1,2,3,4,5,6然而，这一实际应用目前受到 CO 催化活性和选择性较低的限制2 还原反应（CO2由于在水相介质中存在较高的动力学势垒以及与析氢反应（HER）的竞争，导致CO₂还原反应（CO₂RR）的效率较低。大多数传统的过渡金属催化剂，如Fe、Co和Ni，表现出较低的CO₂还原为CO的选择性和活性。2由于其优异的析氢反应（HER）活性而具有RR选择性7,8. 有效调控这些过渡金属催化剂的材料性质以改变反应路径，对于提升其CO2RR选择性。在多种调控催化剂电子性质的方法中，将金属原子分散为单原子形态近年来受到广泛关注，因其与体相材料相比表现出显著改变的催化行为。9,10,11然而，由于未键合原子具有较高的迁移率，在缺乏支撑材料的情况下获得单个金属原子极具挑战性。因此，需要一种含有缺陷的基质材料，以限域并配位过渡金属原子。这可能为以下方面带来新的机遇：1）调控过渡金属的电子特性以用于CO2RR活性位点，同时保持相对简单的原子配位结构，以利于基本反应机理的研究。此外，被限制在限域环境中的过渡金属原子在催化过程中不易发生迁移，从而避免了在许多情况下观察到的原子成核或表面重构现象12,13,14.
二维层状石墨烯因其高电子导电性、化学稳定性以及对CO的惰性，作为金属单原子的载体备受关注2 还原和析氢催化反应。更重要的是，已知铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）金属能够在它们的表面催化碳的石墨化过程15简而言之，在高温退火过程中，这些过渡金属会与碳形成合金。当温度降低时，碳开始从合金相中析出，并在过渡金属表面催化形成石墨烯层。在此过程中，随着石墨烯缺陷的产生，金属单原子会被捕获在这些石墨烯缺陷中，作为二氧化碳还原反应的活性位点2RR16,17,18,19在此，我们报告这一详细方案，旨在帮助单原子催化领域的新手研究者，同时提供在线一氧化碳检测的明确示范2 还原产物分析。更多详细信息请参见我们近期发表的文章19 以及一系列相关研究20,21,22,23.

<table><tbody><tr><td>注射泵&amp;nbsp;</td><td>KD Scientific</td><td>KDS-100</td><td></td></tr><tr><td>管式炉</td><td>Lindberg/Blue M</td><td>TF55035A-1</td><td></td></tr><tr><td>球磨机</td><td>SPEX SamplePrep</td><td>5100</td><td></td></tr><tr><td>电化学工作站</td><td>BioLogic</td><td>VMP3</td><td></td></tr><tr><td>pH计</td><td>Orion</td><td>320 PerpHecT&amp;nbsp;</td><td>使用前进行两点校准</td></tr><tr><td>气相色谱仪</td><td>Shimadzu</td><td>GC-2014</td><td>由分子筛5A、Hayesep Q、Hayesep T和Hayesep N组成的复合分离系统</td></tr><tr><td>质量流量控制器</td><td>Alicat Scientific&amp;nbsp;</td><td>MC-50SCCM-D/5M</td><td></td></tr><tr><td>超纯水系统</td><td>Millipore</td><td>Synergy</td><td></td></tr><tr><td>真空干燥器&amp;nbsp;</td><td>PolyLab</td><td>55205</td><td></td></tr><tr><td>聚丙烯腈</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>181315</td><td>M&lt;sub&gt;w&lt;/sub&gt;=150,000</td></tr><tr><td>聚吡咯烷酮</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437190</td><td>M&lt;sub&gt;w&lt;/sub&gt;=1,300,000</td></tr><tr><td>Ni(NO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;·6H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244074</td><td></td></tr><tr><td>双氰胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D76609</td><td></td></tr><tr><td>二甲基甲酰胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td></td></tr><tr><td>碳纤维纸&amp;nbsp;</td><td>AvCarb</td><td>MGL370</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 膜</td><td>Fuel Cell Store</td><td>117</td><td>在H型电解池中用作质子交换膜</td></tr><tr><td>KHCO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>431583</td><td>通过电解进一步纯化</td></tr><tr><td>铂箔&amp;nbsp;</td><td>Beantown Chemical</td><td>126580</td><td></td></tr><tr><td>饱和甘汞电极</td><td>CH Instruments</td><td>CHI150</td><td></td></tr><tr><td>玻碳电极</td><td>HTW GmbH</td><td>SIGRADUR</td><td>1 cm &amp;times; 2 cm</td></tr><tr><td>石蜡</td><td>Apiezon</td><td>W-W100</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 溶液</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>70160</td><td>用于催化剂油墨制备中的离聚物&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>还原性气体</td><td>Airgas</td><td>UHP</td><td>5% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 以Ar为平衡气</td></tr><tr><td>二氧化碳</td><td>Airgas</td><td>LaserPlus</td><td></td></tr><tr><td>标准气体</td><td>Airgas</td><td>customized</td><td>500 ppm CO、500 ppm CH&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;、1000 ppm H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 以Ar为平衡气</td></tr><tr><td>标准气体</td><td>Air Liquide</td><td>customized</td><td>100 ppm H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;、100 ppm CO 及其他烷烃以Ar为平衡气</td></tr></tbody></table>

过渡金属单原子催化剂的合成及电化学co2还原性能表征

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

本方案介绍了镍单原子催化剂的合成方法，及其在水相CO电化学催化中的活性与选择性测试2 还原。与传统的金属纳米晶体不同，金属单原子的合成涉及一种能够限域单原子并防止其团聚的基质材料。我们报道了一种通过静电纺丝与热退火方法制备镍单原子的方法，该单原子分散并配位于石墨烯壳层中，作为CO反应的活性中心2 还原为CO。在合成过程中，氮掺杂剂在生成石墨烯空位以捕获Ni原子方面起着关键作用。采用像差校正扫描透射电子显微镜和三维原子探针层析技术，鉴定出石墨烯空位中的单个Ni原子位点。电化学CO的详细实验装置2 还展示了与在线气相色谱联用的还原装置。与金属Ni相比，Ni单原子催化剂表现出显著提高的CO2 还原与抑制 H2 进化副反应

NiN-GS 的形貌表征展示了扫描电子显微镜（SEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）以及能量色散X射线光谱（EDX） mapping 图像，如图1所示。三维原子探针层析成像（3D-APT）结果如图2所示，用于直接鉴定单个 Ni 位点的分布及其邻近的化学环境。在线电化学气相色谱（GC）测量装置及结果如图3所示，用于定量分析 CO2RR 气体产物。
<img alt="纳米材料分析；显微图像；纤维、纳米颗粒、原子结构、元素分布图。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57380/57380fig1.jpg" data-altupdatedat="1762215414000" data-alt="图 1"> ...

本文介绍了一种在石墨烯空位中配位的过渡金属单原子的合成及其电化学测试方案，该单原子可作为活性中心，在水溶液中选择性地将二氧化碳还原为一氧化碳。

过渡金属单原子催化剂的合成及电化学CO2还原性能表征

本方案介绍了镍单原子催化剂的合成方法及其催化活性与选择性的电化学测试……

本实验的总体目标是制备负载于石墨烯空位中的过渡金属单原子材料，并将其应用于电化学领域，以实现水溶液中二氧化碳的高选择性还原。该方法有助于解决电催化二氧化碳还原领域中关于催化剂制备及产物选择性活性评价等关键科学问题。该技术的主要优势在于，可将单原子有效锚定于石墨烯空位中，同时过渡金属纳米颗粒可被石墨烯层紧密包覆。开始实验时，在一个20毫升的闪烁瓶中加入0.5克聚丙烯腈、0.5克聚乙烯吡咯烷酮、0.5克六水合硝酸镍和0.1克双氰胺，并加入10毫升二甲基甲酰胺。将混合物加热至80摄氏度，搅拌至溶液澄清呈绿色。随后让前驱体混合物冷却至室温。然后，将一块8厘米×8厘米、厚度为0.37毫米的碳纤维纸作为收集基底，安装到常规的静电纺丝装置中。用5毫升注射器吸取5毫升前驱体混合物，装上一根19号、2英寸长的针头作为纺丝喷头，并将该注射器安装到注射泵上。将装置调整至旋转喷丝头与收集表面之间距离为15厘米。将电源的正极连接至针头，负极连接至收集基底。设置电源向喷丝尖端提供15千伏的静电电压，向收集基底施加负4千伏的电压。以每小时1.2毫升的速度运行注射泵，并开始静电纺丝。完成后，关闭电源，将涂覆有聚合物纤维的基底转移至一片铝箔上。在箱式炉中，将涂覆的基底在1.5小时内加热至300摄氏度。在该温度下保持样品30分钟，以氧化聚合物纤维，使其从基底上脱离，形成独立的薄膜。从炉中取出基底及脱离的氧化聚合物纳米纤维膜。让薄膜在空气中冷却至室温。然后，将薄膜切成约0.5厘米×2厘米的片状，并将这些片状物收集到一个石英舟中。将石英舟置于管式炉加热区中心位置。用含5%氢气的氩气混合气体对炉内样品进行三次置换。然后，将气体流速维持在100SCCM，炉内压力保持在1个托（torque）。首先在十分钟内将炉温升至300摄氏度，随后在两小时内升至750摄氏度。均以恒定缠绕速率进行。将样品在750摄氏度下保持一小时。然后关闭加热，使样品在炉内于100 SCCM的5%氢气与氩气混合气流中冷却至室温。将冷却后的样品密封在直径六毫米的不锈钢研磨球中，并置于不锈钢研磨罐内。以3,000 RPM、60赫兹的条件球磨样品五分钟，得到镍-氮-石墨烯壳层催化剂的纳米粉末。开始测量程序时，将2.5克碳酸氢钾溶解于250毫升超纯水中，作为电解液。将两种石墨棒之间的电解液以0.1毫安电流电解24小时，以去除痕量金属离子。然后，用溶解于甲苯中的电化学惰性疏水蜡覆盖一块洁净的、经电化学抛光的1厘米×2厘米玻碳电极的背面。接下来，在一个4毫升的闪烁瓶中加入5毫克镍-氮掺杂石墨烯壳催化剂纳米粉末、1毫升乙醇以及100微升异丙醇中5%的碘醇溶液。将混合物超声处理20分钟，以获得均匀的催化剂油墨悬浮液。取80微升催化剂油墨滴加到玻碳电极表面。将覆盖催化剂的电极置于真空干燥器中干燥5至10分钟。然后，装配一个带有质子交换膜的气密H型电化学池。向将要放置工作电极的腔室通入氮气。将负载催化剂的工作电极和饱和甘汞参比电极置于电解池的一个腔室中，将铂箔对电极置于另一腔室中。向每个隔室加入约 25 毫升纯化的电解液。将电解液连接至多通道电化学工作站。以 50SCCM 的流速向电解液中通入氮气 30 分钟，使电解液充分饱和。然后，在恒电位仪软件中选择循环伏安法。将实验设置为相对于饱和甘汞电极（SCE）在 -0.5 伏至 -1.8 伏之间进行五次连续的 CV 扫描，扫描速率为 50 毫伏每秒，工作电极电位范围为 -10 伏至 10 伏，并采用自动电流量程。在氮气饱和的电解液中采集一条循环伏安曲线。然后将气体管路切换为二氧化碳，并以50 SCCM的流速向电解液中通入二氧化碳气泡，持续30分钟。接着，在继续以50 SCCM流速通入二氧化碳的同时，使用与之前相同的参数再次采集循环伏安（CV）曲线。接下来，在恒电位仪软件中选择恒电位电化学阻抗谱。将频率范围设置为0.1赫兹至200千赫兹。使用开路电位作为初始电位。进行受阻扫描并记录溶液电阻值。利用该信息对测得的电位进行电压降校正。按照先前所述方法，组装一个H型电化学池，以涂覆镍-氮掺杂石墨烯壳层的工作电极和提纯的0.1 mol/L碳酸氢钾溶液作为电解质。设置一台气相色谱仪，使用由五埃分子筛组成的串联色谱柱系统，以分离低分子量化合物。为气相色谱仪配备热导检测器和带有方法器的氢火焰离子化检测器。使用内径为1/16英寸的乙烯基管，将含有工作电极的电化学池腔室的尾气导入气相色谱仪的进样环中。从对电极所在的腔室引出另一段乙烯基管，连接至一个盛水的烧瓶，作为气体流动监测装置。将电极连接至多通道恒电位仪，并如前所述用二氧化碳气体饱和电解液。将二氧化碳的流速精确维持在50.0SCCM。使用恒电位仪软件记录计时曲线和参数曲线。将工作电极相对于RAG的电位从负0.3伏逐步变化至负1.0伏，每步电位保持15分钟。在持续电解10分钟后，针对每个可能的步骤，使用运行时间为16分钟的气相色谱（GC）对气体产物进行取样。分别根据热导检测器（TCD）和火焰离子化检测器（FID）的信号确定尾气中一氧化氢的含量。计算每种产物的分电流密度和法拉第效率。催化剂中的碳纳米纤维内均匀分布着镍纳米颗粒。这些纳米颗粒被包裹在约10纳米厚的石墨烯壳层中，阻止了镍纳米颗粒与水性电解质之间的直接接触，从而抑制了析氢反应。原子探针层析成像中的能量色散X射线光谱映射显示，镍原子已掺入纳米颗粒周围的石墨烯层中。在距离镍纳米颗粒较远的区域，镍原子也分散在碳中。发现镍单原子与石墨烯空位配位，同时有少量百分比的镍单原子还与氮原子配位。统计分析表明，该贫镍区域中的大部分镍以单原子形式存在。通过将气相色谱仪与电化学池的尾气出口相连，实时评估了该催化剂在不同施加电位下的电催化二氧化碳还原反应性能。在相对于RAG的负0.82伏电位下，一氧化碳和氢气的法拉第效率分别确定为约93%和12%。该方法发展后，为电解领域研究人员探索过渡金属单原子催化剂在人工光合作用及其他能量转换应用中的使用铺平了道路。

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Research

科研

JoVE Journal

Chemistry

化学

电化学 CO2还原的过渡金属单原子催化剂的合成及性能表征

以可视化形式展示了一种“可去除陶瓷涂层方法”，用于合成具有可调尺寸和晶体结构的非烧结、金属端接的单金属和双金属早期过渡金属碳化物和氮化物纳米颗粒。...

反相微乳液介导合成单金属与双金属早期过渡金属碳化物及氮化物纳米颗粒

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用于电催化应用的非贵金属块状电极的简易制备方法

铂镍纳米线的合成及其氧还原性能优化

介绍了一种通过化学沉淀法合成海绵状和折叠状Ni1-xNbxO纳米颗粒的实验方案。...

化学沉淀法合成高比表面积的Nb2O5改性块体镍催化剂

关于Pt/C燃料电池催化剂的制备与测试，科学界在可重复性及最佳实践方面始终存在持续讨论。本研究旨在提供一份逐步操作指南，用于制备和测试Pt/C催化剂，可作为新型催化剂系统的基准参照。...

使用薄膜旋转圆盘电极法制备与测试燃料电池催化剂

本文介绍了一种基于多金属氧酸盐/聚合物复合膜制备电荷转移发色团的实验方案。...

基于多金属氧酸盐的光响应膜的制备及其用于二氧化锰催化剂的光活化

本文介绍了一种在掺杂钴和氮的碳纳米管上负载钴纳米颗粒用于氢气生产的合成方案。...

在掺杂钴和氮原子的碳纳米管上负载金属纳米颗粒的合成及其在氢气生产中的催化应用

原位外磁性测量可直接提供磁性电极的整体和局部信息，从而逐步揭示其电荷存储机制。本文展示了电子顺磁共振（ESR）和磁化率测量用于监测氧化还原活性金属-有机框架（MOF）中顺磁性物种及其浓度的变化过程。...

氧化还原活性金属有机框架固态电化学反应中间体的磁性表征

该方案描述了如何利用表面增强拉曼散射光谱和成像技术监测单个纳米颗粒上的电化学事件。...

利用表面增强拉曼散射光谱与显微技术在单个纳米颗粒上追踪电化学过程

一种制备可见光响应型具有孪晶结构的ZnCoS/ZnCdS光催化剂的合成方法及其在H₂中光催化活性与选择性的光氧化还原反应测试技术2 进化与苯甲醛的产生被阐述。...

具有双晶结构的ZnCoS/ZnCdS在能源应用中用于多功能氧化还原光催化的合成与性能评估

本方案指导如何制备MXene负载的CuZn和NiCo双金属电催化剂，并对其进行电化学分析，以利用太阳能将二氧化碳和水转化为绿色燃料。...

太阳能驱动的电化学绿色燃料生产：利用 Ti3C2Tx MXene 负载的 CuZn 和 NiCo 催化剂将 CO2 和水转化为燃料

了解过渡金属单原子催化剂的合成与电化学性能表征方法，用于选择性还原二氧化碳。本方案展示在石墨烯空位中配位镍单原子的制备流程及其在水溶液中的催化活性。

过渡金属单原子催化剂的合成及电化学CO₂还原性能表征

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