合成と電気化学的 CO2削減のため単一原子の遷移金属触媒の性能評価
April 10th, 2018
ここでは、合成のためのプロトコルを提案して水溶液中の一酸化炭素に選択的な二酸化炭素削減のための活性中心としてグラフェン欠員の調整遷移金属単原子の電気化学的テストします。
この手順の全体的な目標は、グラフェン空孔で調整された遷移金属単一原子の電気化学的応用における準備であり、水溶液の選択的二酸化炭素還元に向けて行われます。この方法は、触媒の調製と製品シール活性の測定に関する電気触媒CO2削減分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、単一原子をグラフェン空孔に閉じ込めることができ、遷移金属のネノ粒子をグラフェン層にしっかりと囲むことができることです。
手順を開始するには、20ミリリットルのシンチレーションバイアルで、ゼロポイント5グラムのポリアクリロニトリル、ゼロポイント5グラムのポリビニルピロリドン、ゼロポイント5グラムのニッケル(II)ヘキサハイドレート、ゼロポイント1グラムのジアンジアミドを10ミリリットルのジメチルホルムアミドと組み合わせます。混合物を摂氏80度に加熱し、透明で緑色になるまでかき混ぜます。その後、プリカーサー混合物を室温まで冷まします。
次に、8cm×8cm×8センチメートルのゼロ点3枚7mm厚の炭素繊維紙を回収基板として従来のエレクトロスピニング装置に装着する。5ミリリットルのプリカーサー混合物を5ミリリットルの注射器に引き込みます。シリンジに19ゲージ、2インチの針を回転先端として装備し、シリンジをシリンジポンプに取り付けます。
紡糸面と集電体表面との間に15cmの間隔を空けるように装置を構成します。電源のプラス端子を針に接続し、マイナス端子を収集基板に接続します。スピニングチップに15キロボルトの静電圧を供給し、収集基板に対してマイナス4キロボルトを供給するように電源を構成します。
シリンジポンプを1時間あたり2ミリリットルで一点で運転し、電気回転を開始します。終了したら、電源を切り、ポリマーファイバーコーティングされた基材をアルミホイルに移します。ボックス炉で、コーティングされた基板を1ポイント5時間かけて摂氏300度に加熱します。
サンプルをその温度で30分間保持して、ポリマー繊維を酸化し、ポリマー繊維がスタンドアロンフィルムとして基板から剥離します。基板と剥離した酸化ポリマーナノファイバーフィルムを炉から取り出します。フィルムを空気中で室温まで冷まします。
次に、フィルムを約ゼロ点5センチ×2センチメートルのピースにカットし、クォーツボートでピースを収集します。ボートを加熱ゾーンの中央にある管状炉に置きます。アルゴンに5%の水素を混合したガスで、サンプルを炉内雰囲気に3回止まります。
その後、ガス流量を100SCCM、炉圧力を1トルクに保ちます。最初に炉を摂氏300度まで10分間かけて回転させます。そして、2時間かけて摂氏750度まで上昇します。
どちらも一定のラップ率で。サンプルを摂氏750度で1時間保持します。次に、火を止め、5%の水素とアルゴンの100SCCMの流れの下で、サンプルを炉内で室温まで冷却します。
冷却したサンプルを6mmのステンレス製フライスボールに入れ、ステンレス製のフライスジャーに密封します。ボールミルは、ナノ粉末としてニッケル窒素グラフェンシェル触媒を得るために、60ヘルツで5分間、3、000RPMでサンプルをミルします。測定手順を開始するには、電解質として250ミリリットルの超純水に2ポイント5グラムの重炭酸カリウムを溶解します。
2つのグラファイトロッド間の電解液をゼロ点1ミリアンペアで24時間電気分解し、微量金属イオンを除去します。次に、電気化学的に研磨された清潔な1センチメートル×2センチメートルのガラス状カーボン電極の裏側を、トルエンに溶解した電気化学的に不活性な疎水性ワックスで覆います。次に、4ミリリットルのシンチレーションバイアル、5ミリグラムのニッケル窒素グラフェンシェル触媒ナノ粉末、1ミリリットルのエタノール、および100マイクロリットルの5パーセントアイオジムマー溶液をイソプロピルアルコールに入れます。
混合物を20分間超音波処理して、均質な触媒インク懸濁液を得る。80マイクロリットルの触媒インクをガラス状炭素電極の表面に塗布します。触媒被覆電極を真空デシケーターで5〜10分間乾燥させます。
次に、気密H型電気化学セルにプロトン交換膜を装着します。作用電極を含むチャンバーに窒素ガスラインを追加します。触媒で覆われた作用電極と飽和カロメル参照電極をセルの一方のコンパートメントに配置し、プラチナ箔対電極をもう一方のコンパートメントに配置します。
精製した電解質溶液を約25ミリリットル各コンパートメントに加えます。電解質をマルチチャンネルポテンショスタットに接続します。窒素ガスを電解質に通して50SCCMで30分間泡立て、電解液を飽和させます。
次に、Potentostatソフトウェアでサイクリックボルタンメトリーを選択します。マイナス0点5ボルトからマイナス1点8ボルトまでの5回の連続CVスキャンと、マイナス10ボルトから10ボルトの作用電極電位範囲と自動電流範囲を持つSCEに対して、50ミリボルト/秒のSCEで実験を構成します。窒素飽和電解質中のCVを取得します。
次に、ガスラインを二酸化炭素に変更し、50SCCMの電解質を介して二酸化炭素を30分間泡立てます。その後、50SCCMで二酸化炭素を泡立たせたまま。以前に使用したのと同じパラメータを使用して別のCVを取得します。
次に、ポテンショスタットソフトウェアでポテンショスタット電気化学インピーダンススペクトロロジーを選択します。周波数範囲を 0 点 1 ヘルツから 200 キロヘルツに設定します。開回路電位を初期電位として使用します。
障害スキャンを実行し、耐液性の値を記録します。この情報を使用して、電圧降下の測定された電位を修正します。前述のように、精製されたゼロ点1モル重炭酸カリウムを電解質として、ニッケル窒素グラフェンシェルコーティングされた作用電極を備えたH型電気化学セルを組み立てます。
ガスクロマトグラフをセットアップして、低分子量化合物を分離するための一連のカラムに5オングストロームのモレキュラーシーブの分離システムを使用します。GCには熱伝導率検出器とメソダイザー付き火炎イオン化検出器を装備します。作用電極を含む電気化学セルチャンバーからの排気を、内径が16分の1インチのビニルチューブを使用してGCのサンプルループに向けます。
対電極を備えたチャンバーから別の長さのビニールチューブを、ガス流量モニターとして水のフラスコに通します。電極をマルチチャネルポテンショスタットに接続し、前述のように電解質を二酸化炭素ガスで飽和させます。二酸化炭素の流量を50.0SCCMに正確に維持します。
ポテンショスタットソフトウェアを使用して、クロノカーブとパラメトリックカーブを報告します。作用電極のをマイナスゼロポイント3ボルトからマイナス1ポイントゼロボルトにステップアップしながら、RAGに対して。各ステップで15分間保持します。
10分間の連続電気分解後の各電位ステップについて、GCでガス製品を16分間のランタイムでサンプリングします。排気中の一酸化水素含有量を、それぞれTCD信号とFID信号から測定します。各製品の部分電流密度とファラダイア効率を計算します。
ニッケルナノ粒子は、触媒のカーボンナノ繊維中に均一に分布していることがわかった。ナノ粒子を厚さ約10ナノメートルのグラフェンシェルに封入することで、ニッケルナノ粒子と水性スレーターとの直接接触を防ぎ、水素発生反応を抑制しました。アトムプローブトモグラフィーにおけるエネルギー分散型X線分光法マッピングにより、ナノ粒子の周囲のグラフェン層にニッケル原子が取り込まれていることが示されました。
ニッケル原子は、ニッケルナノ粒子から離れた領域の炭素中にも分散していました。ニッケル単一原子はグラフェン空孔で配位しており、窒素原子とも配位している割合は低いことがわかりました。統計分析によると、このニッケル乏領域のニッケルの大部分は単一原子の形をしています。
触媒の様々な印加電位における電気触媒による二酸化炭素還元反応性能を、電気化学セル排気に接続されたGCによってリアルタイムで評価した。一酸化炭素と水素のファラダイア効率は、RAGに対してマイナスゼロポイント8、2ボルトでそれぞれ約93%と12%であると決定されました。開発後、このタンニンは、電気分解の分野の研究者が人工光合成やその他のエネルギー変換アプリケーションでこれらの遷移金属単一原子触媒を探求する道を開きました。
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概要
この記事では、グラフェン欠陥に配位された遷移金属単原子を合成し、電気化学的に試験するプロトコルを紹介します。これらの活性中心は、水溶液中で二酸化炭素を選択的に一酸化炭素に還元するように設計されています。
主要な研究要素
科学分野
- 電気化学
- 材料科学
- 触媒学
背景
- 遷移金属単原子は効果的な触媒として機能します。
- グラフェン欠陥は単原子をトラップするための独特の環境を提供します。
- 選択的なCO2還元は持続可能な化学における重要な研究分野です。
- 触媒調製の理解は効率性を向上させるために不可欠です。
研究目的
- グラフェン中での遷移金属単原子の調製方法を開発する。
- 電気触媒CO2還元の理解を深める。
- 水溶液中でのこれらの触媒の活性を調査する。
使用した方法
- ポリアクリロニトリル、ポリビニルピロリドン、ニッケル(II)六水和物、ジシアンジアミドの組み合わせ。
- ジメチルホルムアミドで溶解し、80度セルシウスに加熱。
- 透明で緑色の溶液が得られるまで攪拌。
- 前駆体混合物を室温まで冷却。
主要な結果
- グラフェン欠陥中の遷移金属単原子の合成に成功。
- COへの選択的CO2還元の可能性を実証。
- 合成触媒の電気化学的挙動に関する洞察を提供。
- グラフェンをサポート材料として使用することの利点を強調。
結論
- この方法によりグラフェン中の単原子の効果的なトラップが可能になります。
- 遷移金属単原子はCO2還元応用に有望です。
- このアプローチは触媒設計と効率性の向上につながる可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
This protocol enables the synthesis of transition metal single atom catalysts for selective electrochemical CO2 reduction, addressing a key challenge in sustainable chemistry: achieving high catalytic activity while suppressing competing hydrogen evolution. The method provides a pathway to develop atom-efficient catalysts with tunable selectivity, supporting early-stage discovery of materials for carbon capture and utilization applications. Such advances contribute to de-risking target validation in electrocatalysis by establishing structure-function relationships at the atomic scale.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of catalytic hypotheses by isolating single atomic sites as defined active centers for CO2 reduction.
- Operational Value: Supports mechanistic de-risking through precise control over metal coordination environment and suppression of side reactions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantifiable outputs (faradaic efficiency, product selectivity) via integrated electrochemical and gas chromatography analysis.
- Operational Value: Establishes reproducible protocols for catalyst screening under standardized aqueous electrolyte conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates structure-activity correlation by linking atomic-scale catalyst design to functional CO2-to-CO conversion performance.
- Operational Value: Enables scale-up of catalyst synthesis through electrospinning and thermal annealing for downstream evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from catalyst synthesis to functional evaluation, supporting lead identification in electrocatalytic materials development.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling precise tuning of metal-nitrogen-carbon coordination environments to probe catalytic mechanisms.
- Screening: Delivers assay-ready catalysts with quantifiable CO2 reduction activity and suppressed H2 evolution for reliable comparative evaluation.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (faradaic efficiency, partial current density) via online GC-coupled electrochemical detection.
- Translational Research: Connects atomic-scale catalyst design to continuous CO2 reduction performance, supporting predictive confidence in material advancement.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular platform for transition metal single atom synthesis applicable across multiple electrocatalytic systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target validation through atomic-level catalyst design and suppression of non-productive pathways.
- Operational Value: Standardization and reproducibility in catalyst synthesis and electrochemical testing under controlled conditions.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions in catalyst development by linking synthesis parameters to selective CO2 reduction performance.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of catalyst candidates based on quantifiable selectivity and activity metrics.
Implementation Considerations
- Expertise in materials synthesis, electrospinning, and electrochemical characterization.
- Access to tube furnaces, potentiostats, and gas chromatography systems with thermal conductivity and flame ionization detectors.
- Standardization of electrolyte preparation, gas flow control, and electrode fabrication across teams.
- Adaptation considerations for other transition metals and support matrices beyond Ni/N-graphene systems.
- Practical limitations include precise control over pyrolysis conditions and potential catalyst degradation under prolonged electrochemical operation.
