Synthèse et caractérisation de la Performance de catalyseur seul atome de métal de Transition pour électrochimique CO₂ réduction

L’objectif global de cette procédure est la préparation dans l’application électrochimique d’atomes uniques de métaux de transition coordonnés dans les lacunes de graphène vers une réduction sélective du dioxyde de carbone dans les solutions aqueuses. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la réduction électrocatalytique du CO2 concernant la préparation des catalyseurs et la détermination de l’activité d’étanchéité du produit. Le principal avantage de cette technique est que des atomes uniques peuvent être piégés dans des lacunes de graphène et que les nénoparticules de métal de transition peuvent être étroitement entourées de couches de graphène.

Pour commencer la procédure, dans un flacon à scintillation de 20 millilitres, combinez zéro virgule cinq grammes de polyacrylonitrile, zéro virgule cinq grammes de polyvinylpyrrolidone, zéro virgule cinq grammes de nickel(II)hexahydrate et zéro virgule un gramme de dicdyandiamide, avec 10 millilitres de diméthylformamide. Chauffez le mélange à 80 degrés Celsius et remuez jusqu’à ce qu’il soit clair et vert. Laissez ensuite le mélange de précurseurs refroidir à température ambiante.

Ensuite, montez un morceau de papier en fibre de carbone de huit centimètres sur huit centimètres comme substrat de collecte dans un appareil d’électrofilage conventionnel. Prélevez cinq millilitres du mélange de précurseurs dans une seringue de cinq millilitres. Équipez la seringue d’une aiguille de calibre 19 de deux pouces, comme pointe de rotation et montez la seringue sur un pousse-seringue.

Configurez l’appareil pour un espace de 15 centimètres entre la surface en rotation et la surface du collecteur. Connectez la borne positive d’une alimentation à l’aiguille et la borne négative au substrat de collecte. Configurez l’alimentation pour fournir 15 kilovolts de tension statique à la pointe de rotation, et moins quatre kilovolts contre le substrat de collecte.

Faites fonctionner la pompe à seringue à un moment donné deux millilitres par heure et commencez l’électro-essorage. Une fois terminé, coupez l’alimentation et transférez le substrat recouvert de fibres polymères sur un morceau de papier d’aluminium. Dans un four à caissons, chauffez le substrat revêtu à 300 degrés Celsius pendant un point cinq heures.

Maintenez l’échantillon à cette température pendant 30 minutes pour oxyder les fibres polymères qui se détacheront du substrat sous forme de film autonome. Retirez le substrat et le film de nanofibres polymères oxydés détachés du four. Laissez le film refroidir à température ambiante à l’air.

Ensuite, coupez le film en morceaux d’environ zéro point cinq centimètres sur deux centimètres et rassemblez les morceaux dans un bateau en quartz. Placez le bateau dans un four tubulaire au centre de la zone de chauffage. Perchez l’échantillon dans l’atmosphère du four trois fois avec un mélange gazeux de cinq pour cent d’hydrogène dans de l’argon.

Ensuite, maintenez le débit de gaz à 100SCCM et la pression du four à un couple. Augmentez d’abord la fournaise à 300 degrés Celsius pendant dix minutes. Et puis à 750 degrés Celsius en deux heures.

Les deux à des taux d’enveloppement constants. Maintenez l’échantillon à 750 degrés Celsius pendant une heure. Ensuite, éteignez le feu et laissez l’échantillon refroidir à température ambiante dans le four sous le débit de 100SCCM de cinq pour cent d’hydrogène et d’argon.

Scellez l’échantillon refroidi dans une bille de broyage en acier inoxydable de six millimètres dans un bocal de broyage en acier inoxydable. Broyez l’échantillon à boulets à 3 000 tr/min dans 60 hertz pendant cinq minutes pour obtenir le catalyseur à coquille de graphène nickel-azote sous forme de nanopoudre. Pour commencer la procédure de mesure, dissolvez deux virgule cinq grammes de bicarbonate de potassium dans 250 millilitres d’eau ultra pure comme électrolyte.

Électrolyse la solution d’électrolyte entre deux tiges de graphite au point zéro un milliampères pendant 24 heures pour éliminer les ions métalliques traces. Ensuite, couvrez le dos d’une électrode de carbone vitreuse d’un centimètre sur deux centimètres, polie électrochimiquement, avec une cire hydrophobe électrochimiquement inerte dissoute dans du toluène. Ensuite, placez dans un flacon à scintillation de quatre millilitres, cinq milligrammes de nano-poudre de catalyseur de coquille de graphène nickel-azote, un millilitre d’éthanol et 100 microlitres d’une solution d’iodymère à cinq pour cent dans de l’alcool isopropylique.

Soniquer le mélange pendant 20 minutes pour obtenir une suspension d’encre catalytique homogène. Appliquez 80 microlitres d’encre du catalyseur sur la surface de l’électrode de carbone vitreuse. Séchez l’électrode recouverte du catalyseur dans un dessiccateur sous vide pendant cinq à 10 minutes.

Ensuite, équipez une cellule électrochimique étanche au gaz de type H d’une membrane échangeuse de protons. Ajoutez une conduite d’azote gazeux dans la chambre qui contiendra l’électrode de travail. Placez l’électrode de travail recouverte du catalyseur et une électrode de référence de calomel saturé dans un compartiment de la pile, et une contre-électrode à feuille de platine dans l’autre.

Ajoutez environ 25 millilitres de la solution d’électrolyte purifié dans chaque compartiment. Connectez les électrolytes à un potentiostat multicanaux. Faites circuler l’azote gazeux à travers l’électrolyte pendant 30 minutes à 50SCCM pour saturer l’électrolyte.

Ensuite, sélectionnez la voltampérométrie cyclique dans le logiciel Potentiostat. Configurez l’expérience pour cinq balayages CV continus de moins zéro virgule cinq volts à moins un virgule huit volts par rapport à SCE à 50 millivolts par seconde avec une plage de potentiel d’électrode de travail de moins 10 volts à 10 volts et une plage de courant automatique. Acquérir un CV dans l’électrolyte saturé en azote.

Ensuite, changez la conduite de gaz en dioxyde de carbone et faites circuler le dioxyde de carbone à travers l’électrolyte à 50SCCM pendant 30 minutes. Puis, tout en bouillonnant encore de dioxyde de carbone à 50SCCM. Acquérez un autre CV en utilisant les mêmes paramètres que ceux utilisés précédemment.

Ensuite, sélectionnez la spécification d’impédance électrochimique potentiostatique dans le logiciel Potentiostat. Réglez la plage de fréquences sur zéro point un hertz sur 200 kilohertz. Utilisez le potentiel du circuit ouvert comme potentiel initial.

Effectuez un balayage entravé et enregistrez la valeur de résistance à la solution. Corrigez les potentiels mesurés pour la chute de tension à l’aide de ces informations. Assemblez une cellule électrochimique de type H avec une électrode de travail recouverte d’une enveloppe de graphène nickel-azote dans du bicarbonate de potassium molaire du point zéro purifié comme électrolyte, comme décrit précédemment.

Mettre en place un chromatographe en phase gazeuse pour utiliser un système de séparation de cinq tamis moléculaires angström dans une série de colonnes pour séparer les composés de faible poids moléculaire. Équipez le GC d’un détecteur de conductivité thermique et d’un détecteur à ionisation de flamme avec un méthodeur. Dirigez l’échappement de la chambre de la cellule électrochimique contenant l’électrode de travail vers la boucle d’échantillonnage du GC à l’aide d’un tube en vinyle d’un diamètre intérieur d’un 16e de pouce.

Faites passer une autre longueur de tube en vinyle de la chambre avec la contre-électrode à un flacon d’eau comme moniteur de débit de gaz. Connectez les électrodes à un potentiostat multicanaux et saturez l’électrolyte avec du dioxyde de carbone comme décrit précédemment. Maintenez le débit de dioxyde de carbone à précisément 50,0 SCCM.

Utilisez le logiciel Potentiostat pour rapporter une courbe chronométrique et paramétrique. Tout en faisant passer l’électrode de travail de moins zéro virgule trois volts à moins un virgule zéro volts par rapport à RAG. Maintenez la position pendant 15 minutes à chaque étape.

Pour chaque étape potentielle après 10 minutes d’électrolyse continue, échantillonnez les produits gazeux avec le GC en utilisant un temps de fonctionnement de 16 minutes. Déterminer la teneur en monoxyde d’hydrogène des gaz d’échappement à partir des signaux TCD et FID, respectivement. Calculez la densité de courant partielle et l’efficacité faradaïque de chaque produit.

Les nanoparticules de nickel se sont avérées uniformément réparties dans les nanofibres de carbone du catalyseur. Les nanoparticules ont été encapsulées dans des coquilles de graphène d’environ 10 nanomètres d’épaisseur, empêchant le contact direct entre les nanoparticules de nickel et l’ardoisier aqueux, et supprimant ainsi une réaction d’évolution de l’hydrogène. La cartographie par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie dans la tomographie par sonde atomique a montré que les atomes de nickel étaient incorporés dans les couches de graphène autour des nanoparticules.

Les atomes de nickel ont également été dispersés dans le carbone dans des zones plus éloignées des nanoparticules de nickel. Il a été constaté que les atomes uniques de nickel étaient coordonnés dans les zones vacantes de graphène, avec un petit pourcentage également coordonné avec les atomes d’azote. L’analyse statistique a indiqué que la majeure partie du nickel dans cette zone pauvre en nickel était sous forme d’un seul atome.

Les performances de la réaction électrocatalytique de réduction du dioxyde de carbone du catalyseur à divers potentiels appliqués ont été évaluées en temps réel par un GC connecté à l’échappement de la cellule électrochimique. Les rendements faradaïques du monoxyde de carbone et de l’hydrogène ont été déterminés à environ 93 % et 12 % respectivement à moins zéro virgule huit deux volts par rapport au RAG. Après son développement, ce tannique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l’électrolyse pour explorer ces catalyseurs à atome unique de métaux de transition dans la photosynthèse artificielle ainsi que d’autres applications de conversion d’énergie.