Caracterizaciones de rendimiento del Metal de la transición solo átomo catalizador electroquímico CO₂ reducción y síntesis

El objetivo general de este procedimiento es la preparación en la aplicación electroquímica de átomos individuales de metales de transición coordinados en vacantes de grafeno hacia la reducción selectiva de dióxido de carbono en soluciones acuosas. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la reducción electrocatalítica de CO2 sobre la preparación de catalizadores y la determinación de la actividad de sellado del producto. La principal ventaja de esta técnica es que los átomos individuales pueden quedar atrapados en vacantes de grafeno y las nenopartículas de metales de transición pueden estar estrechamente rodeadas por capas de grafeno.

Para comenzar el procedimiento, en un vial de centelleo de 20 mililitros, combine cero coma cinco gramos de poliacrilonitrilo, cero coma cinco gramos de polivinilpirrolidona, cero coma cinco gramos de níquel (II) hexahidratado y cero coma uno gramos de dicdiandiamida, con 10 mililitros de dimetilformamida. Caliente la mezcla a 80 grados centígrados y revuelva hasta que esté clara y verde. Deje que la mezcla del pre-cursor se enfríe a temperatura ambiente después.

Luego, monte una pieza de papel de fibra de carbono de siete milímetros de espesor de ocho centímetros por ocho centímetros como sustrato de recolección en un aparato de electrohilado convencional. Extraiga cinco mililitros de la mezcla del precursor en una jeringa de cinco mililitros. Equipe la jeringa con una aguja de dos pulgadas de calibre 19 como punta giratoria y monte la jeringa en una bomba de jeringa.

Configure el aparato para un espacio de 15 centímetros entre el giro y la superficie del colector. Conecte el terminal positivo de una fuente de alimentación a la aguja y el terminal negativo al sustrato de recolección. Configure la fuente de alimentación para que entregue 15 kilovoltios de voltaje estático a la punta giratoria y menos cuatro kilovoltios contra el sustrato de recolección.

Haga funcionar la bomba de jeringa en un punto dos mililitros por hora y comience a girar eléctricamente. Una vez que haya terminado, apague la alimentación y transfiera el sustrato recubierto de fibra de polímero a un trozo de papel de aluminio. En un horno de caja, caliente el sustrato recubierto a 300 grados centígrados en el transcurso de un punto cinco horas.

Mantenga la muestra a esa temperatura durante 30 minutos para oxidar las fibras poliméricas que se desprenderán del sustrato como una película independiente. Retire el sustrato y la película de nanofibra de polímero oxidado desprendida del horno. Deje que la película se enfríe a temperatura ambiente en el aire.

Luego, corte la película en trozos de aproximadamente cero punto cinco centímetros por dos centímetros y recoja los pedazos en un bote de cuarzo. Coloque el bote en un horno tubular en el centro de la zona de calentamiento. Coloque la muestra en la atmósfera del horno tres veces con una mezcla de gases de cinco por ciento de hidrógeno en argón.

Luego, mantenga el flujo de gas a 100 SCCM y la presión del horno a un par. Primero aumente el horno a 300 grados centígrados en el transcurso de diez minutos. Y luego a 750 grados centígrados en el transcurso de dos horas.

Ambos a velocidades de envoltura constantes. Mantenga la muestra a 750 grados centígrados durante una hora. Luego, apague el fuego y deje que la muestra se enfríe a temperatura ambiente en el horno bajo el flujo de 100SCCM de cinco por ciento de hidrógeno y argón.

Selle la muestra enfriada en una bola de molienda de acero inoxidable de seis milímetros en un frasco de molienda de acero inoxidable. Moler la muestra a 3.000 rpm en 60 hercios durante cinco minutos para obtener el catalizador de capa de níquel, nitrógeno y grafeno en forma de nanopolvo. Para comenzar el procedimiento de medición, disuelva dos punto cinco gramos de bicarbonato de potasio en 250 mililitros de agua ultrapura como electrolito.

Electrolice la solución de electrolito entre dos varillas de grafito en el punto cero de un miliamperio durante 24 horas para eliminar los iones metálicos traza. Luego, cubra la parte posterior de un electrodo de carbono vítreo limpio, pulido electroquímicamente, de un centímetro por dos centímetros, con una cera hidrofóbica electroquímicamente inerte disuelta en tolueno. A continuación, coloque en un vial de centelleo de cuatro mililitros, cinco miligramos de nano polvo de catalizador de cáscara de grafeno y nitrógeno níquel, un mililitro de etanol y 100 microlitros de una solución de yodímero al cinco por ciento en alcohol isopropílico.

Sonicar la mezcla durante 20 minutos para obtener una suspensión homogénea de tinta catalizadora. Aplique 80 microlitros de tinta catalizadora a la superficie del electrodo de carbono vítreo. Seque el electrodo cubierto de catalizador en un desecador de vacío durante cinco a 10 minutos.

Luego, equipe una celda electroquímica tipo H hermética al gas con una membrana de intercambio de protones. Agregue una línea de gas nitrógeno a la cámara que contendrá el electrodo de trabajo. Coloque el electrodo de trabajo cubierto de catalizador y un electrodo de referencia de calomel saturado en un compartimento de la celda, y un contraelectrodo de lámina de platino en el otro.

Agregue aproximadamente 25 mililitros de la solución de electrolito purificada a cada compartimento. Conecte los electrolitos a un potenciostato multicanal. Burbujee gas nitrógeno a través del electrolito durante 30 minutos a 50SCCM para saturar el electrolito.

A continuación, seleccione voltamperometría cíclica en el software Potenciostat. Configure el experimento para cinco escaneos CV continuos desde menos cero punto cinco voltios hasta menos uno punto ocho voltios en comparación con SCE a 50 milivoltios por segundo con un rango de potencial de electrodo de trabajo de menos 10 voltios a 10 voltios, y un rango de corriente automático. Adquiere un CV en el electrolito saturado de nitrógeno.

Luego cambie la línea de gas a dióxido de carbono y burbujee el dióxido de carbono a través del electrolito a 50 SCCM durante 30 minutos. Luego, mientras todavía burbujeaba dióxido de carbono a 50 SCCM. Adquiera otro CV utilizando los mismos parámetros que se utilizaron anteriormente.

A continuación, seleccione la estintrología de impedancia electroquímica potenciostática en el software Potenciostat. Establezca el rango de frecuencia en cero coma un hercio a 200 kilohercios. Utilice el potencial de circuito abierto como potencial inicial.

Realice un escaneo obstaculizado y registre el valor de resistencia de la solución. Corrija los potenciales medidos para la caída de voltaje utilizando esta información. Ensamble una celda electroquímica tipo H con un electrodo de trabajo recubierto de níquel, nitrógeno y grafeno en bicarbonato de potasio purificado de punto cero un molar como electrolito, como se describió anteriormente.

Configure un cromatógrafo de gases para utilizar un sistema de separación de cinco tamices moleculares angstrom en una serie de columnas para separar compuestos de bajo peso molecular. Equipe el GC con un detector de conductividad térmica y un detector de ionización de llama con un metodizador. Dirija el escape desde la cámara de la celda electroquímica que contiene el electrodo de trabajo al circuito de muestra del GC utilizando un tubo de vinilo con un diámetro interior de una 16 de pulgada.

Pase otro tramo de tubo de vinilo desde la cámara con el contraelectrodo hasta un matraz de agua como monitor de flujo de gas. Conecte los electrodos a un potenciostato multicanal y sature el electrolito con gas de dióxido de carbono como se describió anteriormente. Mantenga el caudal de dióxido de carbono con una precisión de 50,0 SCCM.

Utilice el software Potenciostat para informar de una curva cronométrica y paramétrica. Mientras se escalona el electrodo de trabajo de menos cero punto tres voltios a menos uno punto cero voltios frente a RAG. Sosteniendo durante 15 minutos en cada paso.

Para cada paso potencial después de 10 minutos de electrólisis continua, muestree los productos gaseosos con el GC utilizando un tiempo de ejecución de 16 minutos. Determine el contenido de monóxido de hidrógeno en el escape a partir de las señales TCD y FID, respectivamente. Calcule la densidad de corriente parcial y la eficiencia faradaica para cada producto.

Se descubrió que las nanopartículas de níquel se distribuyen uniformemente en las nanofibras de carbono del catalizador. Las nanopartículas se encapsularon en capas de grafeno de aproximadamente 10 nanómetros de grosor, evitando el contacto directo entre las nanopartículas de níquel y la pizarra acuosa, y suprimiendo así una reacción de evolución del hidrógeno. El mapeo por espectroscopia de rayos X de dispersión de energía en tomografía de sonda atómica mostró que los átomos de níquel se incorporaron a las capas de grafeno alrededor de las nanopartículas.

Los átomos de níquel también se dispersaron en el carbono en áreas más alejadas de las nanopartículas de níquel. Se encontró que los átomos individuales de níquel estaban coordinados en las vacantes de grafeno con un pequeño porcentaje también coordinado con átomos de nitrógeno. El análisis estadístico indicó que la mayor parte del níquel en esta área pobre en níquel estaba en forma de un solo átomo.

El rendimiento de la reacción electrocatalítica de reducción de dióxido de carbono del catalizador a varios potenciales aplicados se evaluó en tiempo real mediante un GC conectado al escape de la celda electroquímica. Se determinó que las eficiencias faradaicas del monóxido de carbono y el hidrógeno eran de aproximadamente el 93 por ciento y el 12 por ciento, respectivamente, a menos cero, ocho y dos voltios, en comparación con el RAG. Después de su desarrollo, este tánico allanó el camino para que los investigadores en el campo de la electrólisis exploraran estos catalizadores de un solo átomo de metales de transición en la fotosíntesis artificial, así como otras aplicaciones de conversión de energía.