Name: Caracterizaciones de rendimiento del Metal de la transición solo átomo catalizador electroquímico CO2 reducción y síntesis (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-10T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 57 s
Description: Aprende a sintetizar átomos individuales de níquel en vacantes de grafeno para la reducción electroquímica selectiva de CO2 en soluciones acuosas. Este método permite evaluar la actividad catalítica y la eficiencia faradaica del producto.

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Este trabajo fue apoyado por el programa de becarios de Rowland en el Rowland Institute de Harvard University. Este trabajo fue realizado en parte en el centro para sistemas a nanoescala (CNS), un miembro de la red nacional de infraestructura de la nanotecnología, que es apoyado por la National Science Foundation bajo la concesión no. ECS-0335765. El SNC es parte de la Universidad de Harvard.

1. preparación de catalizadores de átomo de Ni Single (NiN-GS)
<ol><li>Preparación de la solución precursora de electrospinning<ol>
<li>Tomar un vial de centelleo de 20 mL, disolver 0,5 g de poliacrilonitrilo (Mw= 150.000), 0,5 g de polypyrrolidone (Mw= 1.300.000), 0,5 g de Ni (NO3)2·6H2O y 0.1 g de Diciandiamida (DCDA) en 10 mL de dimetilformamida (DMF).</li>
		<li>La mezcla de DMF a 80 ° C y mantener la mezcla a 80 ° C con agitación constante hasta que se disuelvan todos los polímeros y sal y se observa una clara solución.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Electrospinning para producir fibras de polímeros<ol>
<li>Definir los parámetros de electrospinning convencionales como: 15 kV de voltaje eléctrico estático, 15 cm de aire gap distancia, un sustrato de la colección de 8 × 8 cm de fibra de carbono papel (PPC) con - 4 kV de tensión eléctrica.</li>
		<li>Extraer 5 mL de la solución precursora en una jeringa de 5 mL, poner en marcha la bomba de jeringa a una velocidad de flujo de 1,2 mL h−1, entonces inicio el electrospinning. Nota: Un alto voltaje se utiliza para el electrospinning. A pesar de muy baja corriente pasa a través del sistema durante el proceso de hilado, se sugiere un gabinete de madera aislado.</li>
		<li>Sacar el sustrato de PPC una vez finalizado el proceso de centrifugado eléctrico. Una película de polímero fibra cubre la superficie de la PPC.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Fibras de polímero recocido en nanotubos de carbono<ol>
<li>Calentar la fibra polímero preparado como película/PPC a 300 ° C en 1,5 h en un horno de caja y mantener la temperatura de 0,5 h para la oxidación de los polímeros. Nota: Después del proceso de oxidación, las nanofibras (NFs) se auto separadas de papel en la película independiente.</li>
		<li>Utilice un par de tijeras para cortar las nanofibras en trozos más pequeños (~ 0,5 cm × 2 cm) y colóquelos en un barco de cuarzo.</li>
		<li>Coloque el barco de cuarzo en un horno de tubo y desairear dentro formación de atmósfera de gas (5% H2 en Ar). Mantener la tasa de flujo de gas como 100 sccm y la presión como 1 Tor.</li>
		<li>Calentar 10 min rampa a 300 ° C y 2 h en rampa a 750 ° C, donde es mantenida por otra 1 h y seguido por el enfriamiento natural.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bola molino sintetizado como NiN-GS catalizador por 5 min a nanopolvos para la catálisis y caracterizaciones.</li>
</ol>2. medidas de reducción de CO electroquímica2
<ol><li>Célula y electrodos<ol>
<li>Para preparar 0.1 M KHCO3 del electrólito para las siguientes medidas, en primer lugar disolver 2,5 g de KHCO3 en 250 mL de agua ultrapura, luego purificar electrolito electrólisis entre dos barras de grafito en 0.1 mA para 24 h para quitar cualquier rastro cantidad de metal iones.</li>
		<li>Tomar un carbón vidrioso (electroquímico) pulido fresco (1 cm x 2 cm) y cubren su parte posterior con una cera electroquímicamente inerte, hidrofóbica, como el substrato del electrodo de trabajo.</li>
		<li>Tomar un vial de centelleo de 4 mL, 5 mg de catalizador de NiN-GS como preparado de la mezcla con 1 mL de etanol y 100 μl de solución de ionómero (5% en 2-propanol) dentro del frasco y someter a ultrasonidos durante 20 min obtener una suspensión de tinta catalizador homogéneo.</li>
		<li>Pipeta 80 μl de la tinta del catalizador sobre la superficie de carbón vidrioso de2 cm 2 (0,2 mg cm-2 masa de carga) y el vacío en seco el catalizador electrodo cubierto en un desecador antes de uso.</li>
		<li>Utilice una lámina de platino y un electrodo de calomel saturado (SCE) como el contador y el electrodo de referencia, respectivamente.</li>
		<li>Usar un modificado para requisitos particulares herméticos tipo H vidrio celular, separado por la membrana de intercambio de protones, para los anteriores 3 electrodos montaje así como las pruebas electroquímicas corriendo.</li>
		<li>Coloque el electrodo de trabajo y electrodo de referencia de SCE en un compartimiento de célula H y electrodo de Pt de la hoja en la otra cámara. Inyecte ~ 25 mL de electrólito en cada compartimiento de célula H.</li>
		<li>Conecte los 3 electrodos en celda de H a la estación de trabajo electroquímico para el control potencial.</li>
		<li>El electrolito con N2 en 50.0 sccm (controlado por controlador de flujo másico) de la burbuja por 30 min hacia N2-saturados 0,1 M KHCO3.</li>
		<li>Seleccionar técnica de voltametría cíclica (CV) en software EC-Lab, establecer "Serie E (potencial)" como "-10 V a 10 V", "van (actual)", como "Auto", realizar análisis de CV continuadas 5 de -0,5 V a-1.8 V (vs SCE) a una velocidad de escaneo de 50 mV/s en N2-saturados 0,1 M KHCO3.</li>
		<li>Cambiar a 50 sccm CO2 flujo de gas, espere 30 min hacia CO2-saturadas 0.1 M KHCO3 del electrólito y mantener el mismo flujo de CO2 a lo largo de la siguiente electrólisis.</li>
		<li>Seleccionar técnica CV en software EC-Lab, establecer "Serie E (potencial)" como "-10 V a 10 V", "van (actual)", como "Auto", realizar análisis de CV continuadas 5 de -0,5 V a-1.8 V (vs SCE) a una velocidad de escaneo de 50 mV/s en CO2-saturados 0,1 M KHCO3.</li>
		<li>Utilice un medidor de pH para determinar los valores de pH de electrólitos, es decir., 0.1 M KHCO3 saturada de N2 o CO2.</li>
		<li>Convertir todos los potenciales medidos contra el CPE a la escala de electrodo (RHE) de hidrógeno reversible en este trabajo utilizando E (vs RHE) = E (vs SCE) + 0.244 V + 0.0591 × pH.</li>
		<li>Determinar la resistencia (Ru) de la solución en software EC-laboratorio seleccionando técnica espectroscopia de impedancia electroquímica (PEIS) de Potentiostatic, a continuación, establecer frecuencias de 0,1 Hz a 200 kHz, el valor de la resistencia.</li>
		<li>Compensar manualmente iR-drop como E (iR corregido vs RHE) = E (vs RHE) - Ru x I (amperios de media actual).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Análisis de productos de reducción CO2 por on-line cromatógrafo de gases (GC)<ol>
<li>Emplear un GC, equipado con una combinación de tamiz molecular 5A y micropacked columnas, análisis de productos de gas en CO2RR. Nota: Los tipos de columna de GC detallados pueden encontrarse en la adjunta Tabla de materiales.</li>
		<li>Utilice un detector de conductividad térmica (TCD) para cuantificar la concentración de H2 y un detector de ionización de llama (FID) con un metanizador análisis cuantitativo CO contenido o cualquier otra especie de alcano.</li>
		<li>Utilizar dos diversos gases estándar para las curvas de calibración de concentración de CO y H2 (H2: 100 y 1042 ppm; CO: 496.7 y 100 ppm; equilibrado con argón).</li>
		<li>Durante la electrolisis, mantener la tasa de flujo de gas CO2 a 50.0 sccm, entregan CO2 en el compartimiento catódico que contiene CO2-saturados 0,1 M KHCO3 electrolito y salida de los gases de escape en GC.</li>
		<li>Tono de manera gradual la tensión en el electrodo de trabajo, que van desde -0,3 a -1.0 V vs RHE, mantener ~ 15 minutos para cada potencial y el registro de la correspondiente curva de chronoamperimetric.</li>
		<li>Determine el H2 y CO contenido en los gases de escape de señales de TCD y FID, respectivamente. Nota: Los productos de gas se muestrean después de una electrólisis continua de ~ 10 min debajo de cada potencial. El 50 sccm CO2 gas, mezclado con continuamente producen H2 y CO, fluido a través del bucle de muestreo (1 mL) de GC durante la electrólisis.</li>
		<li>Calcular la densidad de corriente parcial de un producto dado gas como a continuación: <img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq2.jpg"> donde x es la fracción de volumen de ciertos productos determinados por cromatografía de gases en línea se hace referencia a las curvas de calibración de dos muestras de gas estándar (Scott y Airgas), v es la velocidad de flujo de 50 sccm, n es el número de de los electrones implicados, p0 = 101,3 kPa y F es la constante de Faradaic y R es la constante de gas.</li>
		<li>Calcular la eficiencia Faradaic correspondiente (FE) en cada potencial como <img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq7.jpg"> . Nota: La eficacia general Faradaic podría ser dentro de un rango de 90 a 110% debido a los errores de flujo del gas, densidad de corriente y análisis de la concentración de gas en GC.</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>
<li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/s41929-017-0009-x">Metal Ion Cycling of Cu Foil for Selective C-C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction.</a> Nat. Catal. , (2017).</li>
</ol>

En el proceso de centrifugado eléctrico anterior, cabe señalar dos pasos importantes en los procedimientos de síntesis de materiales: 1) la mezcla DMF (paso 1.1.2) y 2) el tipo bomba de ajuste (paso 1.2.2) para que coincida con la velocidad de giro de la calefacción. La imagen de SEM en la figura 1A muestra las nanofibras de carbono obtenidos interconectadas entre sí (~ 200 nm de diámetro). Fueron rotas en pequeños pedazos por la bola que muele para caracterizaciones como se muestra en la <s...

Conversión de CO2 en productos químicos o combustibles usando energía limpia es cada vez más importancia como una ruta potencial para prevenir más CO2 emisiones1,2,3,4, 5,6. Sin embargo, esta aplicación práctica es actualmente cuestionada por la baja actividad y selectividad de CO2 reacción de reducción (CO2RR) debido a las altas barreras cinéticas y la competencia con la reacción de evolución de hidrógeno (HER) en medio acuoso medios de comunicación. La mayor parte del catalizador tradicional de metales de transición, tales como Fe, Co y Ni, exhibe baja CO2RR selectividad debido a su magnífica HER actividades7,8. Tuning con eficacia sus propiedades de los materiales para cambiar las vías de reacción de estos catalizadores de metales de transición se convierte en crítica para mejorar su selectividad de CO2RR. Entre diferentes métodos para modificar las propiedades electrónicas de catalizadores, dispersión de átomos del metal en una morfología del solo-átomo atrae atención intensiva recientemente debido a su comportamiento catalítico dramáticamente cambiante en comparación con sus contrapartes a granel 9 , 10 , 11. sin embargo, debido a la alta movilidad de los átomos sin límites, es muy difícil obtener átomos metálicos solo sin la presencia de materiales de apoyo. Por lo tanto, es necesario un material de matriz de host con defectos creados para limitar y coordinar con los átomos del metal de la transición. Esto podría abrir nuevas oportunidades para: 1) sintonizar las propiedades electrónicas de los metales de transición como sitios activos de CO2RR y 2) al mismo tiempo mantener coordinación atómica relativamente simple para los estudios de mecanismo fundamental. Además, los átomos de metales de transición atrapados en un ambiente confinado no pueden fácilmente moverse durante la catálisis, lo que impide la nucleación o reconstrucciones de átomos superficiales observadas en muchos casos12,13 ,14.
Grafeno capas bidimensional es de particular interés como anfitrión para átomos individuales metálicos debido a su conductividad electrónica alta, estabilidad química e inercia a la reducción de CO2 y sus reacciones catalíticas. Lo más importante, Fe, Co y Ni los metales eran conocidos por ser capaces de catalizar el proceso de grafitización del carbono en su superficie15. En Resumen, los metales de transición aleación con carbono durante la térmica de alta temperatura proceso de recocido. Cuando la temperatura desciende, el carbón comienza a precipitar fuera de la fase de aleación y es catalizado a capas de grafeno de forma en la superficie del metal de la transición. Durante este proceso, con grafeno defectos generados, metal átomos individuales ser atrapados en los defectos de grafeno como los sitios activos para CO2RR16,17,18,19. Aquí, Divulgamos este protocolo detallado con la intención de ayudar a nuevos profesionales en el campo de la catálisis del solo átomo, así como para proporcionar una demostración explícita de CO en línea análisis de producto de la reducción de2 . Puede encontrar más información en nuestro artículo recientemente publicado19 y una serie de trabajos relacionados con20,21,22,23.

<table><tbody><tr><td>bomba de jeringa&nbsp;</td><td>KD Scientific</td><td>KDS-100</td><td></td></tr><tr><td>mueble para tubos</td><td>Lindberg/Blue M</td><td>TF55035A-1</td><td></td></tr><tr><td>molinillo de bolas</td><td>SPEX SamplePrep</td><td>5100</td><td></td></tr><tr><td>estación de trabajo electroquímica</td><td>BioLogic</td><td>VMP3</td><td></td></tr><tr><td>medidor de pH</td><td>Orion</td><td>320 PerpHecT&nbsp;</td><td>Calibración de 2 puntos antes de usar</td></tr><tr><td>cromatógrafo de gases</td><td>Shimadzu</td><td>GC-2014</td><td>un sistema de separación combinado que consta de tamiz molecular 5A, Hayesep Q, Hayesep T y Hayesep N</td></tr><tr><td>controlador de flujo másico</td><td>Alicat Scientific&nbsp;</td><td>MC-50SCCM-D/5M sistema</td><td></td>de</tr><tr><td>agua ultrapura</td><td>Millipore</td><td>Synergy</td><td></td></tr><tr><td>desecador al vacío&nbsp;</td><td>PolyLab</td><td>55205</td><td></td></tr><tr><td>poliacrilonitrilo</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>181315</td><td>Mw=150.000</td></tr><tr><td>polipirrolidona</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437190</td><td>Mw=1.300.000</td></tr><tr><td>Ni(NO3)26H2O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244074</td><td></td></tr><tr><td>diciandiamida</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D76609</td><td></td></tr><tr><td>dimetilformamida</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td></td></tr><tr><td>papel de fibra de carbono&nbsp;</td><td>AvCarb</td><td>MGL370</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 membrana</td><td>Fuel Cell Store</td><td>117</td><td>utilizada como membrana de intercambio de protones en la celda H</td></tr><tr><td>KHCO3</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>431583</td><td>purificada aún más por electrólisis lámina</td></tr> de <tr><td>platino&nbsp;</td><td>Beantown Chemical</td><td>126580</td><td></td></tr><tr><td>electrodo de calomel saturado</td><td>CH Instruments</td><td>CHI150</td><td></td></tr><tr><td>electrodo de carbono vítreo</td><td>HTW GmbH</td><td>SIGRADUR</td><td>1 cm y veces; cera de 2 cm</td></tr><tr><td></td><td>Apiezon</td><td>W-W100</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 solución</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>70160</td><td>utilizada como ionómero en la preparación de tintas catalizadoras&nbsp;</td></tr><tr><td>gas de conformado</td><td>Airgas</td><td>UHP</td><td>5% H2 equilibrado con</td></tr><tr><td>dióxido de carbono</td><td>Ar Airgas</td><td>LaserPlus</td><td></td></tr><tr><td>gas sandard</td><td>Airgas</td><td>personalizado</td><td>500 ppm CO, 500 ppm CH4, 1000 ppm H2 equilibrado con</td></tr><tr><td>gas Ar sandard</td><td>Air Liquide</td><td>personalizado</td><td>100 ppm de H2, 100 ppm de CO y otros alcanos equilibrados con Ar</td></tr></tbody></table>

caracterizaciones de rendimiento del metal de la transición solo átomo catalizador electroquímico co2 reducción y síntesis

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

Este protocolo presenta el método de síntesis del catalizador solo átomo Ni tanto como la prueba electroquímica de su actividad catalítica y selectividad en acuosa reducción de CO2 . A diferencia de los nanocristales de metal tradicional, la síntesis de átomos metálicos solo consiste en un material de matriz que puede confinar los átomos individuales y evitar la agregación. Divulgamos un electrospinning y térmica método para preparar Ni solo átomos dispersión y coordinan en una cáscara de grafeno, como centros activos para la reducción de CO2 a CO del recocido. Durante la síntesis, dopantes N juegan un papel fundamental en la generación de vacantes de grafeno para atrapar átomos de Ni. Aberración-corregido transmisión microscopía electrónica y tomografía de sonda atómica tridimensional se emplearon para identificar los sitios atómicos Ni solo vacantes de grafeno. Configuración detallada de electroquímica CO2 reducción aparato juntada con una cromatografía de gases en línea también está demostrado. Comparado con Ni metálico, Ni solo átomo catalizador exhiben dramáticamente mejorada reducción de CO2 y suprime la reacción de parte de evolución de2 H.

Microscopía electrónica de barrido (SEM), análisis de microscopía electrónica de transmisión (madre) y espectroscopía de rayos x de energía dispersiva (EDX) imágenes de mapas se muestran en la figura 1 para la caracterización de la morfología de NiN-GS. Tridimensional átomo sonda tomografía (3D-APT) resultados se muestran en la figura 2 para la identificación directa de solo Ni distribución de sitios así como su vecino ambiente q...

Aquí, presentamos un protocolo para la síntesis y pruebas electroquímicas de átomos individuales de metal de la transición coordinan en grafeno vacantes como centros activos para la reducción selectiva de dióxido de carbono al monóxido de carbono en soluciones acuosas.

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

This protocol presents both the synthesis method of the Ni single atom catalyst, and the electrochemical testing of its catalytic activity and selectivity ...

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.

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Investigación

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Química

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