סינתזה, אפיוני ביצועים של מתכות מעבר מאטום בודד הזרז להפחתת₂ CO אלקטרוכימי

המטרה הכוללת של הליך זה היא הכנה ביישום האלקטרוכימי של אטומים בודדים של מתכת מעבר המתואמים במקומות פנויים בגרפן לקראת הפחתת פחמן דו חמצני סלקטיבית בתמיסות מימיות. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הפחתת CO2 אלקטרו-קטליטי לגבי הכנת זרזים וקביעת פעילות אטם המוצר. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שניתן ללכוד אטומים בודדים בחללים פנויים של גרפן וחלקיקי הננו של מתכת המעבר יכולים להיות מוקפים בחוזקה בשכבות גרפן.

כדי להתחיל את ההליך, בבקבוקון נצנוץ של 20 מיליליטר, שלב אפס נקודה חמישה גרם פוליאקרילוניטריל, אפס נקודה חמישה גרם פוליוויניל פירולידון, אפס נקודה חמישה גרם ניקל (II) הקסהידרט, ואפס נקודה גרם אחד של דידיאניאמיד, עם 10 מיליליטר דימתילפורממיד. מחממים את התערובת ל-80 מעלות צלזיוס ומערבבים עד לקבלת צבע צלול וירוק. הניחו לתערובת הסמן להתקרר לטמפרטורת החדר לאחר מכן.

לאחר מכן, הרכיבו חתיכה של שמונה סנטימטרים על שמונה סנטימטרים של נייר סיבי פחמן בעובי של שלושה שבעה מילימטרים כמצע האיסוף במנגנון אלקטרו ספינינג קונבנציונאלי. שואבים חמישה מיליליטר מתערובת הסמן המקדים למזרק של חמישה מיליליטר. ציידו את המזרק במחט בגודל 19 אינץ', כקצה המסתובב והרכיבו את המזרק על משאבת מזרק.

הגדר את המנגנון למרווח של 15 ס"מ בין המסתובב למשטח הקולט. חבר את המסוף החיובי של ספק כוח למחט, ואת המסוף השלילי למצע האיסוף. הגדר את ספק הכוח כך שיספק 15 קילו-וולט של מתח סטטי לקצה המסתובב, ומינוס ארבעה קילו-וולט כנגד מצע האיסוף.

הפעל את משאבת המזרק בנקודה מסוימת שני מיליליטר לשעה והתחל בסיבוב אלקטרו. לאחר שתסיים, כבה את החשמל והעביר את המצע המצופה בסיבי פולימר לחתיכת נייר אלומיניום. בתנור קופסה, מחממים את המצע המצופה ל -300 מעלות צלזיוס במהלך נקודה אחת חמש שעות.

החזק את הדגימה בטמפרטורה זו למשך 30 דקות כדי לחמצן את סיבי הפולימר שיתנתקו מהמצע כסרט עצמאי. הסר את המצע ואת סרט הננו-סיבים הפולימרי המחומצן המנותק מהתנור. הניחו לסרט להתקרר לטמפרטורת החדר באוויר.

לאחר מכן, חותכים את הסרט לחתיכות בערך אפס נקודה חמישה סנטימטר על שני סנטימטר ואוספים את החלקים בסירת קוורץ. הנח את הסירה בתנור צינור במרכז אזור החימום. העמידו את הדגימה באטמוספירת התנור שלוש פעמים עם תערובת גז של חמישה אחוז מימן בארגון.

לאחר מכן, שמור על זרימת הגז ב-100SCCM ועל לחץ התנור במומנט אחד. רמפו את התנור תחילה ל -300 מעלות צלזיוס במהלך עשר דקות. ואז ל-750 מעלות צלזיוס במהלך שעתיים.

שניהם בשיעורי עטיפה קבועים. החזק את הדגימה ב-750 מעלות צלזיוס למשך שעה. לאחר מכן, כבה את האש ואפשר לדגימה להתקרר לטמפרטורת החדר בתנור תחת זרימת 100SCCM של חמישה אחוז מימן וארגון.

אטום את הדגימה המקוררת בכדור כרסום נירוסטה של שישה מילימטר בצנצנת כרסום מנירוסטה. טחנו את הדגימה ב-3,000 סל"ד ב-60 הרץ למשך חמש דקות כדי להשיג את זרז מעטפת גרפן חנקן הניקל כאבקת ננו. כדי להתחיל בהליך המדידה, ממיסים שני נקודה חמישה גרם של אשלגן ביקרבונט ב-250 מיליליטר מים טהורים במיוחד כאלקטרוליט.

אלקטרוליט את תמיסת האלקטרוליטים בין שני מוטות גרפיט בנקודת האפס מיליאמפר אחד למשך 24 שעות כדי להסיר יוני מתכת עקבות. לאחר מכן, כסו את החלק האחורי של אלקטרודת פחמן זכוכית נקייה, מלוטשת אלקטרוכימית, סנטימטר על שני סנטימטרים, בשעווה הידרופובית אינרטית אלקטרוכימית המומסת בטולואן. לאחר מכן, הניחו בבקבוקון נצנוץ של ארבעה מיליליטר, חמישה מיליגרם של אבקת ננו זרז מעטפת גרפן ניקל, מיליליטר אחד של אתנול ו-100 מיקרוליטר של תמיסת יודימר של חמישה אחוזים באלכוהול איזופרופיל.

סוניקציה של התערובת למשך 20 דקות לקבלת מתלה דיו זרז הומוגני. מרחו 80 מיקרוליטר של דיו הזרז על פני אלקטרודת הפחמן הזכוכיתית. יבש את האלקטרודה המכוסה בזרז במייבש ואקום למשך חמש עד 10 דקות.

לאחר מכן, ציידו תא אלקטרוכימי מסוג H אטום לגז בקרום חילופי פרוטונים. הוסף קו גז חנקן לתא שיכיל את האלקטרודה העובדת. הנח את האלקטרודה העובדת המכוסה בזרז ואלקטרודת ייחוס קלומל רוויה בתא אחד של התא, ואלקטרודה נגדית של רדיד פלטינה בתא השני.

הוסף כ -25 מיליליטר מתמיסת האלקטרוליטים המטוהרת לכל תא. חבר את האלקטרוליטים לפוטנציוסטט רב ערוצי. בועות גז חנקן דרך אלקטרוליט למשך 30 דקות ב-50SCCM כדי להרוות את האלקטרוליט.

לאחר מכן, בחר וולטמטריה מחזורית בתוכנת Potentiostat. הגדר את הניסוי לחמש סריקות CV רציפות מנקודת אפס חמש וולט למינוס נקודה אחת שמונה וולט לעומת SCE ב-50 מילי-וולט לשנייה עם טווח פוטנציאל אלקטרודה עובד של מינוס 10 וולט עד 10 וולט, ותחום זרם אוטומטי. רכוש קורות חיים באלקטרוליט רווי חנקן.

לאחר מכן שנה את קו הגז לפחמן דו חמצני ובועות פחמן דו חמצני דרך האלקטרוליט ב-50SCCM למשך 30 דקות. ואז, תוך כדי מבעבע פחמן דו חמצני ב-50SCCM. רכוש קורות חיים נוספים תוך שימוש באותם פרמטרים ששימשו בעבר.

לאחר מכן, בחר ספקטרולוגיה של עכבה אלקטרוכימית פוטנציוסטטית בתוכנת Potentiostat. הגדר את טווח התדרים לנקודת אפס הרץ אחד עד 200 קילו-הרץ. השתמש בפוטנציאל המעגל הפתוח כפוטנציאל ההתחלתי.

בצע סריקה מוגבלת ורשום את הערך העמיד בפני הפתרון. תקן את הפוטנציאלים הנמדדים עבור כרךtagירידה באמצעות מידע זה. הרכיבו תא אלקטרוכימי מסוג H עם מעטפת גרפן ניקל חנקן מצופה אלקטרודה עובדת בנקודת אפס מטוהרת אשלגן ביקרבונט מולרית אחת כאלקטרוליט, כפי שתואר קודם לכן.

הגדר כרומטוגרף גז לשימוש במערכת הפרדה של חמש מסננות מולקולריות אנגסטרום בסדרה של עמודות להפרדת תרכובות במשקל מולקולרי נמוך. ציידו את ה- GC בגלאי מוליכות תרמית וגלאי יינון להבה עם מתודיזטור. כוון את הפליטה מתא התא האלקטרוכימי המכיל את האלקטרודה העובדת ללולאת הדגימה של ה-GC באמצעות צינורות ויניל בקוטר פנימי של 16 אינץ'.

הפעל אורך נוסף של צינורות ויניל מהתא עם האלקטרודה הנגדית לבקבוק מים כמוניטור זרימת גז. חבר את האלקטרודות לפוטנציוסטט רב ערוצי והרווי את האלקטרוליט בגז פחמן דו חמצני כפי שתואר קודם לכן. שמור על קצב זרימת הפחמן הדו חמצני ב-50.0SCCM בדיוק.

השתמש בתוכנת Potentiostat כדי לדווח על כרונו ועקומה פרמטרית. תוך כדי צעד האלקטרודה העובדת ממינוס אפס נקודה שלוש וולט למינוס נקודה אחת אפס וולט לעומת RAG. החזקה למשך 15 דקות בכל שלב.

עבור כל שלב פוטנציאלי לאחר 10 דקות של אלקטרוליזה רציפה, דגימו את מוצרי הגז עם ה-GC תוך שימוש בזמן ריצה של 16 דקות. קבע את תכולת המימן החד-חמצני בפליטה מאותות TCD ו-FID, בהתאמה. חשב את צפיפות הזרם החלקית ואת הנצילות הפאראדית עבור כל מוצר.

חלקיקי ננו ניקל נמצאו מפוזרים באופן אחיד בסיבי ננו הפחמן של הזרז. חלקיקי הננו היו עטופים בקליפות גרפן בעובי של כ-10 ננומטר, מה שמנע מגע ישיר בין חלקיקי הננו של הניקל לסלייטר המימי, ובכך דיכא תגובת אבולוציה של מימן. מיפוי ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן מפזרות אנרגיה בטומוגרפיה של בדיקת אטום הראה כי אטומי ניקל שולבו בשכבות הגרפן סביב חלקיקי הננו.

אטומי ניקל התפזרו גם בפחמן באזורים רחוקים יותר מחלקיקי ננו ניקל. אטומי ניקל בודדים נמצאו מתואמים במקומות פנויים של גרפן עם אחוז קטן מתואם גם עם אטומי חנקן. ניתוח סטטיסטי הצביע על כך שרוב הניקל באזור עני ניקל זה היה בצורת אטום בודד.

ביצועי תגובת הפחתת הפחמן הדו-חמצני האלקטרו-קטליטי של הזרז בפוטנציאלים מיושמים שונים הוערכו בזמן אמת על ידי GC המחובר לפליטת התאים האלקטרוכימיים. היעילות הפאראדית של פחמן חד חמצני ומימן נקבעה כ-93 אחוז ו-12 אחוז בהתאמה במינוס נקודת אפס שמונה שני וולט לעומת RAG. לאחר פיתוחו, טאניק זה סלל את הדרך לחוקרים בתחום האלקטרוליזה לחקור את מתכות המעבר הללו זרזים אטומיים בודדים בפוטוסינתזה מלאכותית כמו גם יישומי המרת אנרגיה אחרים.