합성 및 전기 화학적 CO₂ 감소를 위한 전이 금속 단일 원자 촉매의 성능 Characterizations

이 절차의 전반적인 목표는 수용액에서 선택적 이산화탄소 환원을 위해 그래핀 공석에서 조정된 전이 금속 단일 원자의 전기화학적 응용을 준비하는 것입니다. 이 방법은 촉매 준비 및 제품 밀봉 활성 측정에 대한 전기 촉매 CO2 감소 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 단일 원자가 그래핀 공극에 갇힐 수 있고 전이 금속 네노 입자가 그래핀 층으로 단단히 둘러쌀 수 있다는 것입니다.

절차를 시작하려면 20ml 섬광 바이알에 0 포인트 5g의 폴리아크릴로니트릴, 0 포인트 5g의 폴리비닐피롤리돈, 0 포인트 5g의 니켈(II) 육수화물, 0 포인트 1g의 디디얀디아미드를 10ml의 디메틸포름아미드와 결합합니다. 혼합물을 섭씨 80도로 가열하고 투명하고 녹색이 될 때까지 저어줍니다. 그 후 프리커서 혼합물을 실온으로 식히십시오.

그런 다음 8cm x 8cm 크기의 0 포인트 3 7mm 두께의 탄소 섬유 종이를 기존의 전기 방사 장치에서 수집 기판으로 장착합니다. 전구체 혼합물 5ml를 5ml 주사기에 넣습니다. 주사기에 19게이지, 2인치 바늘을 회전 팁으로 장착하고 주사기 펌프에 주사기를 장착합니다.

방사 표면과 수집기 표면 사이에 15cm 공간을 위해 장치를 구성합니다. 전원 공급 장치의 양극 단자를 바늘에 연결하고 음극 단자를 수집 기판에 연결합니다. 회전 팁에 15kV의 정적 전압을 전달하고 수집 기판에 대해 4kV를 뺀 값으로 전원 공급 장치를 구성합니다.

주사기 펌프를 한 번에 시간당 2밀리리터로 가동하고 전기 방사를 시작합니다. 완료되면 전원을 끄고 폴리머 섬유 코팅 기판을 알루미늄 호일 조각으로 옮깁니다. 상자 용광로에서 코팅된 기판을 1점 5시간 동안 섭씨 300도까지 가열합니다.

샘플을 해당 온도에서 30분 동안 유지하여 고분자 섬유를 산화시키면 기판에서 독립형 필름으로 분리됩니다. 용광로에서 기판과 분리된 산화된 고분자 나노 섬유 필름을 제거합니다. 필름을 공기 중 실온으로 식히십시오.

그런 다음 필름을 약 영점 5cm x 2cm 조각으로 자르고 석영 보트에 조각을 모읍니다. 가열 영역 중앙에 있는 튜브 용광로에 보트를 놓습니다. 아르곤에 5%의 수소가 섞인 가스 혼합물로 샘플을 용광로 분위기에 세 번 넣습니다.

그런 다음 가스 흐름을 100SCCM으로 유지하고 노 압력을 1 토크로 유지하십시오. 먼저 용광로를 10분 동안 섭씨 300도까지 올리십시오. 그런 다음 두 시간 동안 섭씨 750도까지 올라갑니다.

둘 다 일정한 포장 속도로. 샘플을 섭씨 750도에서 1시간 동안 유지합니다. 그런 다음 열을 끄고 샘플을 5% 수소 및 아르곤의 100SCCM 흐름으로 용광로에서 실온으로 냉각시킵니다.

냉각된 샘플을 스테인리스강 밀링 용기에 담긴 6mm 스테인리스강 밀링 볼로 밀봉합니다. 공 선반 3, 5 분 동안 60 헤르츠에 있는 000 분당 회전수에 Nano 분말로 니켈 질소 graphene 포탄 촉매를 얻기 위하여 표본. 측정 절차를 시작하려면 250ml의 초순수에 250g의 중탄산칼륨을 전해질로 용해합니다.

미량 금속 이온을 제거하기 위해 영점 1 밀리암페어에서 두 개의 흑연 막대 사이의 전해질 용액을 24시간 동안 전기화합니다. 그런 다음 깨끗하고 전기화학적으로 연마된 1cm x 2cm 유리 탄소 전극의 뒷면을 톨루엔에 용해된 전기화학적으로 불활성인 소수성 왁스로 덮습니다. 다음으로, 4 밀리리터 섬광 바이알, 니켈 질소 그래 핀 껍질 촉매 나노 분말 5 밀리그램, 에탄올 1 밀리리터, 이소 프로필 알코올 중 5 % 요오이머 용액 100 마이크로 리터를 넣는다.

혼합물을 20분 동안 초음파 처리하여 균일한 촉매 잉크 현탁액을 얻습니다. 80마이크로리터의 촉매 잉크를 유리질 탄소 전극 표면에 도포합니다. 촉매로 덮인 전극을 진공 데시케이터에서 5-10분 동안 건조시킵니다.

그런 다음 가스 밀폐 H형 전기화학 전지에 양성자 교환막을 장착합니다. 작동 전극을 포함할 챔버에 질소 가스 라인을 추가합니다. 촉매로 덮인 작동 전극과 포화 칼로멜 기준 전극을 셀의 한 구획에 배치하고 다른 구획에 백금 호일 상대 전극을 놓습니다.

각 격실에 약 25ml의 정제된 전해질 용액을 추가합니다. 전해질을 다중 채널 전위차 조절기에 연결합니다. 전해질을 통해 질소 가스를 50SCCM에서 30분 동안 거품으로 만들어 전해질을 포화시킵니다.

그런 다음 Potentiostat 소프트웨어에서 순환 전압전류법을 선택합니다. 마이너스 10볼트에서 10볼트의 작동 전극 전위 범위와 자동 전류 범위를 사용하여 초당 50밀리볼트에서 SCE에 비해 영점 5볼트에서 마이너스 1점 8볼트까지 5개의 연속 CV 스캔에 대한 실험을 구성합니다. 질소 포화 전해질에서 CV를 획득합니다.

그런 다음 가스 라인을 이산화탄소로 변경하고 50SCCM에서 30분 동안 전해질을 통해 이산화탄소를 거품으로 만듭니다. 그런 다음 50SCCM에서 여전히 이산화탄소를 거품을 일으키면서. 이전에 사용한 것과 동일한 매개변수를 사용하여 다른 CV를 가져옵니다.

다음으로, Potentiostat 소프트웨어에서 potentiostatic electrochemical impedance spechtrology를 선택합니다. 주파수 범위를 영점으로 설정하고 1Hz에서 200kHz로 설정합니다. 개방 회로 전위를 초기 전위로 사용합니다.

방해 스캔을 수행하고 용액 내성 값을 기록합니다. 이 정보를 사용하여 전압 강하에 대해 측정된 전위를 수정합니다. 앞서 설명한 바와 같이 전해질로서 정제된 영점 1몰 중탄산칼륨에 니켈 질소 그래핀 쉘 코팅된 작업 전극이 있는 H형 전기화학 셀을 조립합니다.

저분자량 화합물을 분리하기 위해 일련의 컬럼에서 5개의 옹스트롬 분자체로 구성된 분리 시스템을 사용하도록 가스 크로마토그래프를 설정합니다. GC에는 열전도도 검출기를, 화염 이온화 검출기에는 메소드라이저를 장착합니다. 작동 전극이 포함된 전기화학 셀 챔버에서 내경이 1/16인치인 비닐 튜브를 사용하여 배기 가스를 GC의 샘플 루프로 보냅니다.

카운터 전극이 있는 챔버에서 가스 흐름 모니터로 물 플라스크까지 다른 길이의 비닐 튜브를 실행합니다. 전극을 다중 채널 전위차에 연결하고 앞에서 설명한 대로 전해질을 이산화탄소 가스로 포화시킵니다. 이산화탄소 유량을 정확히 50.0SCCM으로 유지하십시오.

Potentiostat 소프트웨어를 사용하여 크로노 및 파라메트릭 곡선을 보고합니다. 작동 전극을 마이너스 영점 3볼트에서 마이너스 1포인트 0볼트로 스테핑하는 동안 RAG에 대해서. 각 단계에서 15분 동안 유지합니다.

10분 동안 연속 전기분해를 한 후 각 잠재적 단계에 대해 16분의 실행 시간을 사용하여 GC로 가스 생성물을 샘플링합니다. TCD 및 FID 신호에서 각각 배기 가스의 일산화수소 함량을 결정합니다. 각 제품에 대한 부분 전류 밀도와 패러딕 효율을 계산합니다.

니켈 나노 입자는 촉매의 탄소 나노 섬유에 균일하게 분포하는 것으로 밝혀졌다. 나노 입자는 약 10나노미터 두께의 그래핀 껍질에 캡슐화되어 니켈 나노 입자와 수성 슬레이트 사이의 직접적인 접촉을 방지하여 수소 발생 반응을 억제했습니다. 원자 프로브 단층 촬영에서 에너지 분산 X 선 분광법 매핑은 니켈 원자가 나노 입자 주변의 그래 핀 층에 통합되었음을 보여주었습니다.

니켈 원자는 또한 니켈 나노 입자에서 더 멀리 떨어진 영역에서 탄소에 분산되었습니다. 니켈 단일 원자는 그래핀 공석에서 배위되는 것으로 밝혀졌으며 작은 비율은 질소 원자와도 배위되었습니다. 통계 분석에 따르면 이 니켈 불량 지역의 니켈은 대부분 단일 원자 형태였습니다.

다양한 적용 전위에서 촉매의 전기촉매 이산화탄소 환원 반응 성능을 전기화학 전지 배기구에 연결된 GC에 의해 실시간으로 평가하였다. 일산화탄소와 수소의 패러다이 효율은 RAG에 비해 영점 8 2볼트에서 각각 약 93%와 12%로 결정되었습니다. 개발 후,이 타닌은 전기 분해 분야의 연구자들이 인공 광합성 및 기타 에너지 변환 응용 분야에서 이러한 전이 금속 단일 원자 촉매를 탐구 할 수있는 길을 열었습니다.