Sintesi e caratterizzazione di prestazioni di catalizzatore singolo atomo del metallo di transizione per elettrochimica CO₂ riduzione

L'obiettivo generale di questa procedura è la preparazione nell'applicazione elettrochimica di singoli atomi di metalli di transizione coordinati nelle vacanze di grafene verso la riduzione selettiva dell'anidride carbonica in soluzioni acquose. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della riduzione elettrocatalitica di CO2 sulla preparazione di catalizzatori e sulla determinazione dell'attività di tenuta del prodotto. Il vantaggio principale di questa tecnica è che i singoli atomi possono essere intrappolati nelle celle di grafene e le particelle di neno-metallo di transizione possono essere strettamente circondate da strati di grafene.

Per iniziare la procedura, in una fiala di scintillazione da 20 millilitri, combinare zero virgola cinque grammi di poliacrilonitrile, zero virgola cinque grammi di polivinilpirrolidone, zero virgola cinque grammi di nichel(II) esaidrato e zero virgola uno grammi di dicdidandiamide, con 10 millilitri di dimetilformammide. Scaldare il composto a 80 gradi Celsius e mescolare fino a ottenere un composto chiaro e verde. Successivamente lasciare raffreddare la miscela di precursori a temperatura ambiente.

Quindi, monta un pezzo di otto centimetri per otto centimetri di carta in fibra di carbonio spessa tre sette millimetri come substrato di raccolta in un apparecchio di elettrofilatura convenzionale. Aspirare cinque millilitri della miscela di precursori in una siringa da cinque millilitri. Dotare la siringa di un ago da due pollici calibro 19 come punta rotante e montare la siringa su una pompa a siringa.

Configurare l'apparecchio per uno spazio di 15 centimetri tra la superficie di filatura e quella del collettore. Collegare il terminale positivo di un alimentatore all'ago e il terminale negativo al substrato di raccolta. Configurare l'alimentatore in modo che fornisca 15 kilovolt di tensione statica alla punta rotante e meno quattro kilovolt contro il substrato di raccolta.

Far funzionare la pompa a siringa a un certo punto due millilitri all'ora e avviare l'elettrocentrifuga. Una volta terminato, spegnere l'alimentazione e trasferire il substrato rivestito in fibra polimerica su un foglio di alluminio. In un forno a scatola, riscaldare il substrato rivestito a 300 gradi Celsius nel corso di un punto cinque ore.

Mantenere il campione a quella temperatura per 30 minuti per ossidare le fibre polimeriche che si staccheranno dal substrato come un film a sé stante. Rimuovere il substrato e il film di nanofibra polimerica ossidato staccato dal forno. Lasciare raffreddare la pellicola a temperatura ambiente all'aria.

Quindi, taglia la pellicola in pezzi di circa zero virgola cinque centimetri per due centimetri e raccogli i pezzi in una barca di quarzo. Posizionare la barca in un forno tubolare al centro della zona di riscaldamento. Immergere il campione nell'atmosfera del forno tre volte con una miscela di gas del cinque percento di idrogeno in argon.

Quindi, mantenere il flusso di gas a 100SCCM e la pressione del forno a una coppia. Rampa il forno prima a 300 gradi Celsius nel corso di dieci minuti. E poi a 750 gradi Celsius nel corso di due ore.

Entrambi a velocità di avvolgimento costanti. Tenere il campione a 750 gradi Celsius per un'ora. Quindi, spegnere il fuoco e lasciare raffreddare il campione a temperatura ambiente nel forno sotto il flusso 100SCCM di idrogeno e argon al cinque percento.

Sigillare il campione raffreddato in una sfera di macinazione in acciaio inossidabile da sei millimetri in una giara di macinazione in acciaio inossidabile. Macinare il campione a 3.000 giri/min a 60 hertz per cinque minuti per ottenere il catalizzatore del guscio di grafene e azoto di nichel come polvere Nano. Per iniziare la procedura di misurazione, sciogliere due virgola cinque grammi di bicarbonato di potassio in 250 millilitri di acqua ultra pura come elettrolita.

Elettrolizzare la soluzione elettrolitica tra due barre di grafite al punto zero di un milliampere per 24 ore per rimuovere gli ioni metallici in tracce. Quindi, coprire il retro di un elettrodo di carbonio vetroso pulito, lucidato elettrochimicamente, di un centimetro per due centimetri con una cera idrofobica elettrochimicamente inerte disciolta in toluene. Quindi, mettere in una fiala di scintillazione da quattro millilitri, cinque milligrammi di nano polvere di catalizzatore di guscio di grafene di azoto di nichel, un millilitro di etanolo e 100 microlitri di una soluzione di iodimero al cinque percento in alcol isopropilico.

Sonicare la miscela per 20 minuti per ottenere una sospensione omogenea di inchiostro catalizzatore. Applicare 80 microlitri di inchiostro catalizzatore sulla superficie dell'elettrodo di carbonio vetroso. Asciugare l'elettrodo coperto dal catalizzatore in un essiccatore sottovuoto per cinque-10 minuti.

Quindi, dotare una cella elettrochimica di tipo H a tenuta di gas con una membrana a scambio protonico. Aggiungere una linea di azoto gassoso alla camera che conterrà l'elettrodo di lavoro. Posizionare l'elettrodo di lavoro coperto dal catalizzatore e un elettrodo di riferimento al calomelano saturo in uno scomparto della cella e un controelettrodo in lamina di platino nell'altro.

Aggiungere circa 25 millilitri della soluzione elettrolitica purificata in ogni scomparto. Collegare gli elettroliti a un potenziostato multicanale. Far bollire l'azoto gassoso attraverso l'elettrolita per 30 minuti a 50SCCM per saturare l'elettrolita.

Quindi, selezionare la voltammetria ciclica nel software Potenziostat. Configura l'esperimento per cinque scansioni CV continue da meno zero virgola cinque volt a meno uno virgola otto volt rispetto a SCE a 50 millivolt al secondo con un intervallo di potenziale dell'elettrodo funzionante da meno 10 volt a 10 volt e un intervallo di corrente automatico. Acquisire un CV nell'elettrolita saturo di azoto.

Quindi cambiare la linea del gas in anidride carbonica e far bollire l'anidride carbonica attraverso l'elettrolita a 50SCCM per 30 minuti. Poi, mentre continua a gorgogliare anidride carbonica a 50SCCM. Acquisisci un altro CV utilizzando gli stessi parametri utilizzati in precedenza.

Quindi, selezionare la spettrometria dell'impedenza elettrochimica potenziostatica nel software Potenziostat. Impostare l'intervallo di frequenza su zero virgola da un hertz a 200 kilohertz. Utilizzare il potenziale a circuito aperto come potenziale iniziale.

Eseguire una scansione impedita e registrare il valore di resistenza alla soluzione. Correggere i potenziali misurati per la caduta di tensione utilizzando queste informazioni. Assemblare una cella elettrochimica di tipo H con un elettrodo di lavoro rivestito in guscio di grafene di nichel azoto in bicarbonato di potassio molare zero point 1 purificato come elettrolita, come descritto in precedenza.

Impostare un gascromatografo per utilizzare un sistema di separazione di cinque setacci molecolari angstrom in una serie di colonne per la separazione di composti a basso peso molecolare. Equipaggiare il GC con un rilevatore di conducibilità termica e un rivelatore a ionizzazione di fiamma con un metodizzatore. Dirigere lo scarico dalla camera della cella elettrochimica contenente l'elettrodo di lavoro al circuito di campionamento del GC utilizzando un tubo in vinile con un diametro interno di un 16° di pollice.

Far passare un altro pezzo di tubo in vinile dalla camera con il controelettrodo a un pallone d'acqua come monitor del flusso di gas. Collegare gli elettrodi a un potenziostato multicanale e saturare l'elettrolita con anidride carbonica gassosa come descritto in precedenza. Mantenere la portata di anidride carbonica esattamente a 50,0 SCCM.

Utilizza il software Potenziostat per riportare una curva crono e parametrica. Durante il passaggio dell'elettrodo di lavoro da meno zero virgola tre volt a meno un virgola zero volt rispetto a RAG. Tenendo premuto per 15 minuti ad ogni passaggio.

Per ogni potenziale fase dopo 10 minuti di elettrolisi continua, campionare i prodotti gassosi con il GC utilizzando un tempo di esecuzione di 16 minuti. Determinare il contenuto di monossido di idrogeno nello scarico rispettivamente dai segnali TCD e FID. Calcola la densità di corrente parziale e l'efficienza faradaica per ogni prodotto.

Si è scoperto che le nanoparticelle di nichel sono distribuite uniformemente nelle nanofibre di carbonio del catalizzatore. Le nanoparticelle sono state incapsulate in gusci di grafene spessi circa 10 nanometri, impedendo il contatto diretto tra le nanoparticelle di nichel e il latere acquoso, e sopprimendo così una reazione di evoluzione dell'idrogeno. La mappatura della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia nella tomografia a sonda atomica ha mostrato che gli atomi di nichel sono stati incorporati negli strati di grafene attorno alle nanoparticelle.

Gli atomi di nichel sono stati anche dispersi nel carbonio in aree più lontane dalle nanoparticelle di nichel. Si è scoperto che i singoli atomi di nichel sono coordinati nelle vacanze di grafene con una piccola percentuale coordinata anche con atomi di azoto. L'analisi statistica ha indicato che la maggior parte del nichel in questa zona povera di nichel era in forma di singolo atomo.

Le prestazioni della reazione di riduzione elettrocatalitica dell'anidride carbonica del catalizzatore a vari potenziali applicativi sono state valutate in tempo reale da un GC collegato allo scarico della cella elettrochimica. Le efficienze faradiche del monossido di carbonio e dell'idrogeno sono state determinate essere rispettivamente di circa il 93% e il 12% a meno zero virgola otto due volt rispetto al RAG. Dopo il suo sviluppo, questo tannico ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'elettrolisi per esplorare questi catalizzatori a singolo atomo di metalli di transizione nella fotosintesi artificiale e in altre applicazioni di conversione dell'energia.