Name: Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO2 (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-10T14:45:00.000+00:00
Duration: 10 min 57 s
Description: Poznaj metodę syntezy jednoatomowych katalizatorów metalu przejściowego w próżniach grafenowych do selektywnej elektrochemicznej redukcji CO2. Technika ta umożliwia skuteczne wychwytywanie pojedynczych atomów i zwiększa aktywność katalityczną w roztworach wodnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez Rowland Fellows Program w Instytucie Rowlanda Uniwersytetu Harvarda. Prace te zostały częściowo wykonane w Centrum Systemów Nanoskalowych (CNS), będącym członkiem National Nanotechnology Infrastructure Network, które jest wspierane przez National Science Foundation w ramach nagrody nr. ECS-0335765. CNS jest częścią Uniwersytetu Harvarda.

1. Przygotowanie katalizatora z pojedynczych atomów Ni (NiN-GS)
<ol>
	<li>Przygotowanie roztworu prekursorowego do elektroprzędzenia
	<ol>
		<li>Do fiolki scyntylacyjnej o pojemności 20 mL należy wprowadzić 0,5 g poliakrylonitrylu (Mw=150 000), 0,5 g polipirrolidonu (Mw=1 300 000), 0,5 g Ni(NO3)2&#183;6h2O oraz 0,1 g dicyandiamidu (DCDA) w 10 ml dimetyloformamidu (DMF).</li>
		<li>Podgrzać mieszaninę DMF do 80 &#176;C i utrzymywać mieszaninę w temperaturze 80 &#176;C przy ciągłym mieszaniu do czasu całkowitego rozpuszczenia wszystkich polimerów i soli oraz uzyskania klarownego roztworu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Elektroprzędzenie w celu wytwarzania włókien polimerowych
	<ol>
		<li>Ustaw konwencjonalne parametry elektroprzędzenia w następujący sposób: statyczne napięcie elektryczne 15 kV, przerwa powietrzna 15 cm, podłoże zbierające o rozmiarze 8 &#215; papier z włókna węglowego (CFP) o rozmiarze 8 cm z napięciem elektrycznym - 4 kV.</li>
		<li>Pobrać 5 ml roztworu prekursora do strzykawki o pojemności 5 ml i uruchomić pompę strzykawkową przy szybkości przepływu 1,2 ml/h.−1następnie rozpocząć proces elektroprzędzenia. 
		UWAGA: W procesie elektroprzędzenia stosowane jest wysokie napięcie. Pomimo że podczas przędzenia przez układ przepływa bardzo niski prąd, zaleca się stosowanie izolowanej drewnianej obudowy.</li>
		<li>Po zakończeniu procesu elektroprzędzenia wyjmij podłoże CFP. Powierzchnia CFP jest pokryta błoną z włókien polimerowych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyżarzanie włókien polimerowych w celu otrzymania nanorurek węglowych
	<ol>
		<li>Podgrzać przygotowaną folię z włókien polimerowych/CFP do 300 &#176;C przez 1,5 h w piecu muflowym, a następnie utrzymać temperaturę przez 0,5 h w celu utlenienia polimerów. 
		UWAGA: Po procesie utleniania nanowłókna (NFs) samoistnie oddzielają się od papieru węglowego, co prowadzi do powstania wolnostojącej błony.</li>
		<li>Za pomocą nożyczek potnij te nanowłókna na mniejsze kawałki (~ 0,5 cm). &#215; 2 cm) i umieścić je w łódeczce kwarcowej.</li>
		<li>Umieść łódkę kwarcową w piecu tubowym i odgazuj ją w gazie formującym (5% H2)2 w atmosferze Ar. Prędkość przepływu gazu należy utrzymać na poziomie 100 sccm, a ciśnienie na poziomie 1 Tor.</li>
		<li>Nagrzewać w ciągu 10 min z rampą do 300 &#176;Coraz 2-godzinne stopniowe zwiększanie temperatury do 750 &#176;Cgdzie utrzymuje się go przez kolejną 1 h, a następnie pozostawia do naturalnego ochłodzenia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mielić katalizator NiN-GS otrzymany w procesie syntezy w młynku kulowym przez 5 min w celu uzyskania nanoproszków do katalizy i charakterystyki.</li>
</ol>
2. Pomiary elektrochemicznej redukcji CO2
<ol>
	<li>Ogniwo i elektrody
	<ol>
		<li>Aby przygotować 0,1 M KHCO33 elektrolitu do następujących pomiarów: najpierw rozpuść 2,5 g KHCO3 w 250 ml wody ultrapure, następnie oczyścić elektrolit poprzez elektrolizę pomiędzy dwiema prętami grafitowymi przy natężeniu 0,1 mA przez 24 h w celu usunięcia śladowych ilości jonów metali.</li>
		<li>Należy pobrać świeżo wypolerowaną (elektrochemicznie) elektrodę z węgla szklistego (1 cm &#215; 2 cm), a jego tylną stronę pokryć elektrochemicznie obojętnym, hydrofobowym woskiem, aby służył jako podłoże elektrody roboczej.</li>
		<li>Do fiolki scyntylacyjnej o pojemności 4 ml należy wprowadzić 5 mg przygotowanego katalizatora NiN-GS, wymieszać z 1 ml etanolu i 100 &#181;L roztworu ionomeru (5% w 2-propanolu) w fiolce, a następnie poddać sonikacji przez 20 min w celu uzyskania jednorodnej zawiesiny tuszu katalitycznego.</li>
		<li>Pipeta 80 &#181;L atramentu katalitycznego na powierzchnię o wielkości 2 cm2 powierzchnia z węgla szklistego (0,2 mg cm-2 obciążenie masowe), a następnie przed użyciem wysuszyć elektrodę pokrytą katalizatorem w desykatorze w warunkach próżni.</li>
		<li>Jako elektrodę przeciwciążową i odniesienia należy zastosować odpowiednio folię platynową oraz nasyconą elektrodę kalomelową (SCE).</li>
		<li>Do montażu powyższych trzech elektrod oraz do przeprowadzenia testów elektrochemicznych należy wykorzystać dostosowaną, szczelną gazowo szklaną celę typu H, przedzieloną membraną wymiany protonowej.</li>
		<li>Umieść elektrodę roboczą oraz elektrodę odniesienia SCE w jednej komorze ogniwa w kształcie litery H, a elektrodę z folii Pt w drugiej komorze. Wprowadź około 25 ml elektrolitu do każdej z komór ogniwa.</li>
		<li>Podłącz 3 elektrody w ogniwie w kształcie litery H do stacji elektrochemicznej w celu kontroli potencjału.</li>
		<li>Przeprzłucz elektrolit azotem.2 przy przepływie 50,0 sccm (monitorowanym za pomocą kontrolera przepływu masowego) przez 30 min w kierunku N2-nasycony 0,1 M KHCO33.</li>
		<li>W oprogramowaniu EC-Lab wybierz technikę woltamperometrii cyklicznej (CV), ustaw &#34;Zakres E (potencjał)&#34; jako &#34;od -10 V do 10 V&#34;, &#34;Zakres I (prąd)&#34; jako &#34;Auto&#34;wykonaj 5 ciągłych pomiarów CV w zakresie od -0,5 V do -1,8 V (względem SCE) przy szybkości skanowania 50 mV/s w N2-nasycony 0,1 M KHCO33.</li>
		<li>Zmienić na 50 sccm CO2 przepływ gazu, odczekiwanie przez 30 min w kierunku CO2-nasycony 0,1 M KHCO33 elektrolit i utrzymanie tego samego poziomu CO2 przepływ w trakcie następującej elektrolizy.</li>
		<li>Wybierz technikę CV w oprogramowaniu EC-Lab, ustaw &#34;Zakres E (potencjał)&#34; jako &#34;od -10 V do 10 V&#34;, &#34;Zakres I (prąd)&#34; jako &#34;Auto&#34;przeprowadź 5 ciągłych pomiarów CV w zakresie od -0,5 V do -1,8 V (względem SCE) przy szybkości skanowania 50 mV/s w CO2-nasycony 0,1 M KHCO33.</li>
		<li>Użyj pH-metru do oznaczenia wartości pH elektrolitów, t.j.., 0,1 M KHCO33 nasycony albo N2 lub CO2.</li>
		<li>W niniejszej pracy wszystkie potencjały mierzone względem SCE należy przeliczyć na skalę odwracalnej elektrody wodorowej (RHE), korzystając z zależności E (vs RHE) = E (vs SCE) + 0,244 V + 0,0591 &#215; pH.</li>
		<li>Wyznaczanie oporności elektrolitu (Ru) w oprogramowaniu EC-Lab, wybierając technikę potencjostatycznej spektroskopii impedancyjnej (PEIS), a następnie ustawiając zakres częstotliwości od 0,1 Hz do 200 kHz i zapisując wartość rezystancji.</li>
		<li>Kompensować ręcznie iR-spadek napięcia jako E (skorygowane o iR względem RHE) = E (względem RHE) - Ru &#215; I (ampery prądu średniego).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>CO2 analiza produktów redukcji za pomocą on-line chromatografu gazowego (GC)
	<ol>
		<li>Do analizy produktów gazowych podczas procesu CO użyj chromatografu gazowego (GC) wyposażonego w kombinację kolumny z sitkiem molekularnym 5A oraz kolumny mikropakowanej.2RR. 
		UWAGA: Szczegółowe typy kolumn GC znajdują się w załączniku Tabela materiałów.</li>
		<li>Do ilościowego oznaczenia H użyj detektora przewodności cieplnej (TCD).2 stężenie oraz detektor jonizacji płomieniowej (FID) z metanizatorem do analizy ilościowej zawartości CO i/lub innych alkanów.</li>
		<li>Do krzywych kalibracyjnych dla H użyj dwóch różnych gazów wzorcowych.2 or stężenie CO (H2: 100 i 1042 ppm; CO: 100 i 496,7 ppm; pozostała część Argonem).</li>
		<li>Podczas elektrolizy należy utrzymywać stężenie CO2 przepływ gazu wynoszący 50,0 sccm, doprowadzenie CO2 do komory katodowej zawierającej CO2-nasycony 0,1 M KHCO33 elektrolit, a gazy wylotowe skierować do GC.</li>
		<li>Stopniowo zmieniaj napięcie na elektrodzie roboczej w zakresie od -0,3 do -1,0 V względem RHE, utrzymując każdy potencjał przez około 15 min i rejestrując odpowiadającą mu krzywą chronoamperometryczną.</li>
		<li>Wyznacz H2 oraz zawartość CO w spalinach odpowiednio z sygnałów TCD i FID. 
		UWAGA: Próbki produktów gazowych pobierano po ciągłej elektrolizie trwającej ok. 10 min przy każdym potencjale. Przepływ CO wynoszący 50 sccm2 gaz zmieszany z stale produkowanym H22 oraz CO przepływały przez pętlę próbkowania (1 ml) chromatografu gazowego podczas elektrolizy.</li>
		<li>Oblicz gęstość prądu cząstkowego dla danego produktu gazowego zgodnie z poniższym wzorem: 
		<img alt="Równanie" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq2.jpg" /> 
		gdzie Proszę podać tekst źródłowy do przetłumaczenia.i czy ułamek objętościowy określonego produktu jest wyznaczany za pomocą analizy GC w trybie online w odniesieniu do krzywych kalibracyjnych dwóch wzorcowych próbek gazu (Scott i Airgas), v czy przepływ wynosi 50 sccm, ni jest liczbą zaangażowanych elektronów, p0 = 101,3 kPa oraz F jest stałą Faradaya i R jest stałą gazową.</li>
		<li>Oblicz odpowiednią wydajność faradaiczną (FE) dla każdego potencjału według wzoru <img alt="Równanie" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq7.jpg" />. 
		UWAGA: Całkowita wydajność Faradaya może mieścić się w przedziale od 90 do 110% ze względu na błędy wynikające z pomiaru natężenia przepływu gazu, gęstości prądu oraz analizy stężenia gazów za pomocą GC.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Lewis, N. S., Nocera, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Powering+the+planet%3A+Chemical+challenges+in+solar+energy+utilization%5BTitle%5D)+AND+%22P.+Natl.+Acad.+Sci.+USA%22%5BJournal%5D)">Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 15729-15735 (2006).</li>
<li>Appel, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frontiers%2C+Opportunities%2C+and+Challenges+in+Biochemical+and+Chemical+Catalysis+of+CO2+Fixation%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Frontiers, Opportunities, and Challenges in Biochemical and Chemical Catalysis of CO2 Fixation.</a> Chem. Rev. 113, 6621-6658 (2013).</li>
<li>Jhong, H. R., Ma, S. C., Kenis, P. J. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211339813000294">Electrochemical conversion of CO2 to useful chemicals: current status, remaining challenges, and future opportunities.</a> Curr. Opin. Chem. Eng. 2, 191-199 (2013).</li>
<li>Ashford, D. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+Chromophore-Catalyst+Assemblies+for+Solar+Fuel+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Rev%22%5BJournal%5D)">Molecular Chromophore-Catalyst Assemblies for Solar Fuel Applications.</a> Chem. Rev. 115, 13006-13049 (2015).</li>
<li>Nocera, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solar+Fuels+and+Solar+Chemicals+Industry%5BTitle%5D)+AND+%22Accounts.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Solar Fuels and Solar Chemicals Industry.</a> Accounts. Chem. Res. 50, 616-619 (2017).</li>
<li>Larrazabal, G. O., Martin, A. J., Perez-Ramirez, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Building+Blocks+for+High+Performance+in+Electrocatalytic+CO2+Reduction%3A+Materials%2C+Optimization+Strategies%2C+and+Device+Engineering%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">Building Blocks for High Performance in Electrocatalytic CO2 Reduction: Materials, Optimization Strategies, and Device Engineering.</a> J. Phys. Chem. Lett. 8, 3933-3944 (2017).</li>
<li>Hori, Y., Wakebe, H., Tsukamoto, T., Koga, O. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0013468694851727">Electrocatalytic Process of Co Selectivity in Electrochemical Reduction of Co2 at Metal-Electrodes in Aqueous-Media.</a> Electrochim. Acta. 39, 1833-1839 (1994).</li>
<li>Hori, Y. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHori%2C+Y+%22Modern+aspects+of+electrochemistry%22">Modern aspects of electrochemistry</a>. , Springer. 89-189 (2008).</li>
<li>Lin, S., et al. <a target="_blank" href="http://science.sciencemag.org/content/349/6253/1208">Covalent organic frameworks comprising cobalt porphyrins for catalytic CO2 reduction in water.</a> Science. 349, 1208-1213 (2015).</li>
<li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+selective+and+active+CO2+reduction+electrocatalysts+based+on+cobalt+phthalocyanine%2Fcarbon+nanotube+hybrid+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Highly selective and active CO2 reduction electrocatalysts based on cobalt phthalocyanine/carbon nanotube hybrid structures.</a> Nat. Commun. 8, 14675(2017).</li>
<li>Zhao, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ionic+Exchange+of+Metal+Organic+Frameworks+to+Access+Single+Nickel+Sites+for+Efficient+Electroreduction+of+CO2%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Ionic Exchange of Metal Organic Frameworks to Access Single Nickel Sites for Efficient Electroreduction of CO2.</a> J. Am. Chem. Soc. 139, 8078-8081 (2017).</li>
<li>Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Aivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+Electrochemical+Methanation+of+Carbon+Dioxide+with+a+Dispersible+Nanoscale+Copper+Catalyst%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Enhanced Electrochemical Methanation of Carbon Dioxide with a Dispersible Nanoscale Copper Catalyst.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 13319-13325 (2014).</li>
<li>Yang, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytically+active+Au-O%28OH%29%28x%29-species+stabilized+by+alkali+ions+on+zeolites+and+mesoporous+oxides%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Catalytically active Au-O(OH)(x)-species stabilized by alkali ions on zeolites and mesoporous oxides.</a> Science. 346, 1498-1501 (2014).</li>
<li>Manthiram, K., Surendranath, Y., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dendritic+Assembly+of+Gold+Nanoparticles+during+Fuel-Forming+Electrocatalysis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Dendritic Assembly of Gold Nanoparticles during Fuel-Forming Electrocatalysis.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 7237-7240 (2014).</li>
<li>Amini, S., Garay, J., Liu, G., Balandin, A. A., Abbaschian, R. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3498815">Growth of large-area graphene films from metal-carbon melts.</a> J. Appl. Phys. 108, 094321(2010).</li>
<li>Krasheninnikov, A. V., Lehtinen, P. O., Foster, A. S., Pyykkö, P., Nieminen, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Embedding+Transition-Metal+Atoms+in+Graphene%3A+Structure%2C+Bonding%2C+and+Magnetism%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Embedding Transition-Metal Atoms in Graphene: Structure, Bonding, and Magnetism.</a> Phys. Rev. Lett. 102, 126807(2009).</li>
<li>Jiang, K., Siahrostami, S., Zheng, T., Hu, Y., Hwang, S., Stavitski, E., Peng, Y., Dynes, J., Gangishetty, M., Su, D., Attenkofer, K., Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Isolated+Ni+Single+Atoms+in+Graphene+Nanosheets+for+High-performance+CO2+Reduction%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">Isolated Ni Single Atoms in Graphene Nanosheets for High-performance CO2 Reduction.</a> Energy Environ. Sci. , Advance Article (2018).</li>
<li>Rodríguez-Manzo, J. A., Cretu, O., Banhart, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Trapping+of+Metal+Atoms+in+Vacancies+of+Carbon+Nanotubes+and+Graphene%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Trapping of Metal Atoms in Vacancies of Carbon Nanotubes and Graphene.</a> ACS Nano. 4, 3422-3428 (2010).</li>
<li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929417304047">Transition metal atoms in a graphene shell as active centers for highly efficient artificial photosynthesis.</a> Chem. 3, 950-960 (2017).</li>
<li>Jiang, K., Wang, H., Cai, W. B., Wang, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Li+Electrochemical+Tuning+of+Metal+Oxide+for+Highly+Selective+CO2+Reduction%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Li Electrochemical Tuning of Metal Oxide for Highly Selective CO2 Reduction.</a> ACS Nano. 11, 6451-6458 (2017).</li>
<li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.7b02380">Silver Nanoparticles with Surface-Bonded Oxygen for Highly Selective CO2 Reduction.</a> ACS Sustain Chem. Eng. 5, 8529-8534 (2017).</li>
<li>Siahrostami, S., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.7b03031">Theoretical Investigations into Defected Graphene for Electrochemical Reduction of CO2.</a> ACS Sustain Chem. Eng. 5, 11080-11085 (2017).</li>
<li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="https://www.nature.com/articles/s41929-017-0009-x">Metal Ion Cycling of Cu Foil for Selective C-C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction.</a> Nat. Catal. , (2017).</li>
</ol>

W powyższym procesie elektroprzędzenia należy zwrócić uwagę na dwa ważne etapy w procedurach syntezy materiałów: 1) podgrzewanie mieszanki DMF (krok 1.1.2) oraz 2) dostosowanie prędkości pompy (krok 1.2.2) w celu dopasowania do szybkości wirowania. Obraz SEM na rysunku 1A przedstawia otrzymane nanowłókna węglowe połączone ze sobą (o średnicy ~200 nm). Zostały one rozbite na małe kawałki przez mielenie kulowe w celu scharakteryzowania, jak pokazano na rysunku 1B....

Przekształcanie CO2 w chemikalia lub paliwa za pomocą czystej energii elektrycznej staje się coraz ważniejsze jako potencjalny sposób zapobiegania dalszym emisjom CO21,2,3,4,5,6. Jednak to praktyczne zastosowanie jest obecnie kwestionowane ze względu na niską aktywność i selektywność reakcji redukcji CO2 (CO2RR) ze względu na wysokie bariery kinetyczne i konkurencję z reakcją wydzielania wodoru (HER) w środowisku wodnym. Większość tradycyjnych katalizatorów z metali przejściowych, takich jak Fe, Co i Ni, wykazuje niską selektywność CO2RR ze względu na ich doskonałe działanie HER7,8. Skuteczne dostrojenie ich właściwości materiałowych w celu zmiany szlaków reakcji na tych katalizatorach z metali przejściowych staje się kluczowe dla poprawy ich selektywności CO2RR. Wśród różnych metod modyfikacji właściwości elektronicznych katalizatorów, rozproszenie atomów metalu w morfologii pojedynczego atomu przyciąga ostatnio intensywną uwagę ze względu na ich radykalnie zmienione zachowanie katalityczne w porównaniu z ich masowymi odpowiednikami9,10,11. Jednak ze względu na dużą ruchliwość nieograniczonych atomów, uzyskanie pojedynczych atomów metalu bez obecności materiałów nośnych jest dość trudne. Dlatego konieczny jest materiał macierzy macierzystej z defektami utworzonymi w celu ograniczenia i skoordynowania z atomami metalu przejściowego. Może to otworzyć nowe możliwości dla: 1) dostrojenia właściwości elektronicznych metali przejściowych jako miejsc aktywnych CO2RR, oraz 2) jednoczesnego utrzymania stosunkowo prostej koordynacji atomowej w badaniach podstawowych mechanizmów. Ponadto atomy metalu przejściowego uwięzione w zamkniętym środowisku nie mogą być łatwo przemieszczane podczas katalizy, co zapobiega zarodkowaniu lub rekonstrukcji atomów powierzchniowych obserwowanym w wielu przypadkach12,13,14.
Dwuwymiarowy grafen warstwowy jest szczególnie interesujący jako gospodarz dla pojedynczych atomów metalu ze względu na ich wysoką przewodność elektronową, stabilność chemiczną i obojętność zarówno na redukcjęCO2, jak i reakcje katalityczne HER. Co ważniejsze, metale Fe, Co i Ni były znane z tego, że były w stanie katalizować proces grafityzacji węgla na swojej powierzchni15. Krótko mówiąc, te metale przejściowe stopiłyby się z węglem podczas procesu wyżarzania termicznego w wysokiej temperaturze. Gdy temperatura spada, węgiel zaczyna wytrącać się z fazy stopowej i jest katalizowany, tworząc warstwy grafenu na powierzchni metalu przejściowego. Podczas tego procesu, przy generowaniu defektów grafenu, pojedyncze atomy metalu zostałyby uwięzione w tych defektach grafenu jako miejsca aktywne dla CO2RR16,17,18,19. W tym miejscu przedstawiamy ten szczegółowy protokół, który ma pomóc nowym praktykom w dziedzinie katalizy pojedynczych atomów, a także zapewnić wyraźną demonstrację analizy produktów redukcji CO2 on-line. Więcej informacji można znaleźć w naszym niedawno opublikowanym artykule19 oraz serii powiązanych prac20,21,22,23.

<table><tbody><tr><td>pompa strzykawkowa&nbsp;</td>Piec rurowy <td>KD Scientific</td><td>KDS-100</td><td></td></tr> młyn kulowy <tr><td></td><td>Lindberg/Blue M</td><td>TF55035A-1</td><td></td></tr><tr><td></td><td>SPEX SamplePrep</td><td>5100</td><td></td></tr><tr><td>elektrochemiczna stacja robocza</td><td>BioLogic</td><td>VMP3</td><td></td></tr><tr><td>pH-metr</td><td>Orion</td><td>320 PerpHecT&nbsp;</td><td>2-punktowa kalibracja przed użyciem</td></tr><tr><td>chromatograf gazowy</td><td>Shimadzu</td><td>GC-2014</td><td>kombinowany system separacyjny składający się z sita molekularnego 5A, kontrolera przepływu masowego Hayesep Q, Hayesep T i Hayesep N</td></tr><tr><td></td><td>Alicat Scientific&nbsp;</td><td>MC-50SCCM-D/5M</td><td></td></tr><tr><td>system wody ultraczystej</td> Eksykator próżniowy <td>Millipore</td><td>Synergy</td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>PolyLab</td><td>55205</td><td></td></tr><tr><td>poliakrylonitryl</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>181315</td><td>Mw=150 000</td></tr><tr><td>polipirolidon</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437190</td><td>Mw=1 300 000</td></tr><tr><td>Ni(NO3)26H2O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244074</td><td></td></tr><tr><td>dicyanodiamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D76609</td><td></td></tr><tr><td>dimetyloformamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td></td></tr><tr><td>papier z włókna węglowego&nbsp;</td><td>Membrana AvCarb</td><td>MGL370</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117</td><td>Fuel Cell Store</td><td>117</td><td>stosowana jako membrana do wymiany protonów w komórce H</td></tr><tr><td>KHCO3</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>431583</td><td>dalej oczyszczana przez folię platynową do elektrolizy</td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Beantown Chemical</td><td>126580</td><td></td></tr><tr><td>nasycona elektroda kalomelowa</td><td>CH Instruments</td><td>CHI150</td><td></td></tr><tr><td>szklista elektroda węglowa</td><td>HTW GmbH</td><td>SIGRADUR</td><td>1 cm i razy 2 cm</td></tr><tr><td>wosk</td><td>Apiezon</td><td>W-W100</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 roztwór</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>70160</td><td>stosowany jako jonomer w przygotowaniu tuszu katalizatora&nbsp;</td></tr><tr><td>gaz formujący</td><td>Airgas</td><td>UHP</td><td>5% H2 zrównoważony</td></tr><tr><td>dwutlenkiem węgla</td> Ar Gaz piaskowy <td>Airgas</td><td>LaserPlus</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Dostosowany</td><td>gaz powietrzny</td><td>500 ppm CO, 500 ppm CH4, 1000 ppm H2 zrównoważony gazem piaskowym Ar</td></tr><tr><td></td><td>Air Liquide</td><td>dostosowane</td><td>100 ppm H2, 100 ppm CO i inne alkany zrównoważone Ar</td></tr></tbody></table>

charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji co2

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

Ten protokół przedstawia zarówno metodę syntezy katalizatora pojedynczego atomu Ni, jak i elektrochemiczne testowanie jego aktywności katalitycznej i selektywności w wodnej redukcji CO2. W odróżnieniu od tradycyjnych nanokryształów metali, synteza pojedynczych atomów metalu obejmuje materiał matrycy, który może ograniczać te pojedyncze atomy i zapobiegać ich agregacji. Przedstawiamy metodę elektroprzędzenia i wyżarzania termicznego w celu przygotowania pojedynczych atomów Ni rozproszonych i skoordynowanych w powłoce grafenowej, jako aktywnych centrów redukcji CO2 do CO. Podczas syntezy domieszki N odgrywają kluczową rolę w generowaniu wakancji grafenu w celu uwięzienia atomów Ni. Skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa z korekcją aberracji oraz trójwymiarowa tomografia sondy atomowej zostały wykorzystane do identyfikacji pojedynczych miejsc atomowych Ni w wakatach grafenu. Przedstawiono również szczegółową konfigurację elektrochemicznej aparatury do redukcji CO2 sprzężonej z chromatografią gazową on-line. W porównaniu z metalicznym Ni, katalizator jednoatomowy Ni wykazuje znacznie lepszą redukcję CO2 i stłumioną reakcję uboczną wydzielania H2.

Obrazy z pomiarów skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM) oraz mapowania spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX), służące do charakterystyki morfologii NiN-GS, przedstawiono na Rysunku 1. Wyniki trójwymiarowej tomografii atomowej (3D-APT), umożliwiające bezpośrednią identyfikację rozkładu pojedynczych centrów Ni oraz ich najbliższego otoczenia chemicznego, przedstawiono na <strong cl...

Tutaj prezentujemy protokół syntezy i testów elektrochemicznych pojedynczych atomów metali przejściowych skoordynowanych w wakatach grafenu jako aktywnych centrów selektywnej redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla w roztworach wodnych.

Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO2

This protocol presents both the synthesis method of the Ni single atom catalyst, and the electrochemical testing of its catalytic activity and selectivity ...

Ogólnym celem tej procedury jest przygotowanie w elektrochemicznym zastosowaniu pojedynczych atomów metali przejściowych skoordynowanych w wakatach grafenu w kierunku selektywnej redukcji dwutlenku węgla w roztworach wodnych. Metoda ta może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie elektrokatalitycznej redukcji CO2 dotyczące przygotowania katalizatorów i określania aktywności uszczelnień produktów. Główną zaletą tej techniki jest to, że pojedyncze atomy mogą być uwięzione w wakantach grafenu, a nenocząstki metalu przejściowego mogą być ściśle otoczone warstwami grafenu.Aby rozpocząć procedurę, w 20-mililitrowej fiolce scyntylacyjnej połącz pięć gramów poliakrylonitrylu w punkcie zerowym, pięć gramów poliwinylopirolidonu, pięć gramów sześciowodnego niklu(II) i punkt zerowy jeden gram didykandiamidu z 10 mililitrami dimetyloformamidu. Podgrzej mieszaninę do 80 stopni Celsjusza i mieszaj, aż będzie klarowna i zielona. Następnie pozostawić mieszaninę prekursora do ostygnięcia do temperatury pokojowej.Następnie zamontuj kawałek papieru z włókna węglowego o grubości ośmiu centymetrów na osiem centymetrów i grubości trzech siedmiu milimetrów jako podłoże do zbierania w konwencjonalnym aparacie do przędzenia elektrycznego. Pobrać pięć mililitrów mieszaniny prekursora do pięciomililitrowej strzykawki. Wyposażyć strzykawkę w dwucalową igłę o rozmiarze 19 jako obracającą się końcówkę i zamontować strzykawkę na pompie strzykawkowej.Skonfiguruj aparat na 15-centymetrową przestrzeń między powierzchnią wirowania a powierzchnią kolektora. Podłącz dodatni zacisk zasilacza do igły, a ujemny zacisk do podłoża zbiorczego. Skonfiguruj zasilacz tak, aby dostarczał 15 kilowoltów napięcia statycznego do obracającej się końcówki i minus cztery kilowolty na podłoże zbierające.Uruchom pompę strzykawkową w pewnym momencie dwa mililitry na godzinę i rozpocznij wirowanie elektryczne. Po zakończeniu wyłącz zasilanie i przenieś podłoże pokryte włóknem polimerowym na kawałek folii aluminiowej. W piecu skrzynkowym podgrzej powlekane podłoże do 300 stopni Celsjusza w ciągu jednego punktu pięć godzin.Trzymaj próbkę w tej temperaturze przez 30 minut, aby utlenić włókna polimerowe, które oderwą się od podłoża jako samodzielna folia. Usuń podłoże i oderwaną utlenioną folię z nanowłókien polimerowych z pieca. Pozwól folii ostygnąć do temperatury pokojowej w powietrzu.Następnie pokrój folię na około zero o wymiarach pięć centymetrów na dwa centymetry i zbierz kawałki w łódce kwarcowej. Umieść łódź w piecu rurowym pośrodku strefy grzewczej. Umieścić próbkę w atmosferze pieca trzykrotnie w mieszaninie gazów składającej się z pięcioprocentowego wodoru i argonu.Następnie utrzymuj przepływ gazu na poziomie 100SCCM i ciśnienie w piecu na poziomie jednego momentu obrotowego. Najpierw rozgrzej piec do 300 stopni Celsjusza w ciągu dziesięciu minut. A potem do 750 stopni Celsjusza w ciągu dwóch godzin.Oba przy stałych szybkościach zawijania. Trzymać próbkę w temperaturze 750 stopni Celsjusza przez godzinę. Następnie wyłącz ogrzewanie i pozwól próbce ostygnąć do temperatury pokojowej w piecu pod przepływem 100SCCM pięcioprocentowego wodoru i argonu.Zamknij schłodzoną próbkę w sześciomilimetrowej kuli do mielenia ze stali nierdzewnej w słoiku do mielenia ze stali nierdzewnej. Mielenie kulowe próbki z prędkością 3 000 obr./min w 60 hercach przez pięć minut, aby uzyskać katalizator powłoki niklowo-azotowo-grafenowej w postaci nanoproszku. Aby rozpocząć procedurę pomiaru, rozpuść dwa pięć gramów wodorowęglanu potasu w 250 mililitrach ultra czystej wody jako elektrolitu.Elektrolizuj roztwór elektrolitu między dwoma prętami grafitowymi w punkcie zerowym jednego miliampera przez 24 godziny, aby usunąć jony śladowe metali. Następnie przykryj tył czystej, elektrochemicznie wypolerowanej elektrody ze szklistego węgla o wymiarach jeden centymetr na dwa centymetry elektrochemicznie obojętnym hydrofobowym woskiem rozpuszczonym w toluenie. Następnie umieść w czteromililitrowej fiolce scyntylacyjnej pięć miligramów nano proszku katalizatora niklowo-azotowo-grafenowego, jeden mililitr etanolu i 100 mikrolitrów pięcioprocentowego roztworu jodymu w alkoholu izopropylowym.Sonikować mieszaninę przez 20 minut, aby uzyskać jednorodną zawiesinę atramentu katalitycznego. Nanieść 80 mikrolitrów tuszu katalizatora na powierzchnię szklistej elektrody węglowej. Wysuszyć elektrodę pokrytą katalizatorem w eksykatorze próżniowym przez pięć do 10 minut.Następnie wyposaż gazoszczelne ogniwo elektrochemiczne typu H w membranę do wymiany protonów. Dodaj przewód gazowy azotu do komory, która będzie zawierała elektrodę roboczą. Umieść elektrodę roboczą pokrytą katalizatorem i nasyconą kalomelową elektrodę odniesienia w jednej komorze ogniwa, a przeciwelektrodę z folii platynowej w drugiej.Dodaj około 25 mililitrów oczyszczonego roztworu elektrolitu do każdej komory. Podłącz elektrolity do potencjostatu wielokanałowego. Pęcherzyk azotu przez elektrolit przez 30 minut w temperaturze 50SCCM w celu nasycenia elektrolitu.Następnie wybierz woltamperometrię cykliczną w oprogramowaniu Potencjostat. Skonfiguruj eksperyment dla pięciu ciągłych skanów CV od minus zero punktu pięciu woltów do minus jednego punktu ośmiu woltów w porównaniu z SCE przy 50 miliwoltach na sekundę z roboczym zakresem potencjału elektrody od minus 10 woltów do 10 woltów i automatycznym zakresem prądu. Zdobądź CV w elektrolicie nasyconym azotem.Następnie zmień przewód gazowy na dwutlenek węgla i bąbelkuj dwutlenek węgla przez elektrolit w temperaturze 50SCCM przez 30 minut. Następnie, nadal bulgocząc dwutlenkiem węgla w tempie 50SCCM. Zdobądź kolejne CV przy użyciu tych samych parametrów, które były używane wcześniej.Następnie należy wybrać potencjostatyczną spechtrologię impedancji elektrochemicznej w oprogramowaniu Potensiostat. Ustaw zakres częstotliwości na punkt zerowy, od jednego herca do 200 kiloherców. Użyj potencjału obwodu otwartego jako potencjału początkowego.Wykonaj skanowanie utrudnione i zapisz wartość odporności roztworu. Skoryguj zmierzone potencjały dla spadku napięcia, korzystając z tych informacji. Zmontuj ogniwo elektrochemiczne typu H z elektrodą roboczą pokrytą powłoką niklowo-grafenową w oczyszczonym punkcie zerowym jednomolowego wodorowęglanu potasu jako elektrolitu, jak opisano wcześniej.Ustawić chromatograf gazowy, aby użyć systemu rozdzielania pięciu angstremowych sit molekularnych w szeregu kolumn do rozdzielania związków o niskiej masie cząsteczkowej. Wyposaż GC w detektor przewodności cieplnej i detektor płomieniowo-jonizacyjny w metodizator. Skieruj spaliny z komory ogniwa elektrochemicznego zawierającej elektrodę roboczą do pętli próbki GC za pomocą rurki winylowej o średnicy wewnętrznej jednej 16 cala.Poprowadź kolejną długość rurki winylowej z komory z przeciwelektrodą do kolby z wodą jako monitora przepływu gazu. Podłącz elektrody do wielokanałowego potencjostatu i nasyc elektrolit gazowym dwutlenkiem węgla, jak opisano wcześniej. Utrzymuj natężenie przepływu dwutlenku węgla dokładnie na poziomie 50,0 SCCM.Użyj oprogramowania Potencjostat, aby utworzyć raport chronologiczny i krzywą parametryczną. Podczas stopniowania elektrody roboczej z punktu minus zero trzech woltów do minus jednego punktu zero woltów w porównaniu z RAG. Przytrzymaj przez 15 minut na każdym kroku.Dla każdego potencjalnego etapu po 10 minutach ciągłej elektrolizy należy pobrać próbki produktów gazowych za pomocą GC, korzystając z czasu pracy wynoszącego 16 minut. Określić zawartość tlenku wodoru w spalinach odpowiednio na podstawie sygnałów TCD i FID. Oblicz cząstkową gęstość prądu i sprawność faradową dla każdego produktu.Stwierdzono, że nanocząstki niklu są równomiernie rozmieszczone w nanowłóknach węglowych katalizatora. Nanocząstki zostały zamknięte w otoczkach grafenu o grubości około 10 nanometrów, zapobiegając bezpośredniemu kontaktowi nanocząstek niklu z wodnym roztworem, a tym samym tłumiąc reakcję wydzielania wodoru. Mapowanie spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii w tomografii sondy atomowej wykazało, że atomy niklu zostały włączone do warstw grafenu wokół nanocząstek.Atomy niklu były również rozproszone w węglu w obszarach oddalonych od nanocząstek niklu. Stwierdzono, że pojedyncze atomy niklu są skoordynowane w wakatach grafenowych, przy czym niewielki procent jest również skoordynowany z atomami azotu. Analiza statystyczna wykazała, że większość niklu w tym obszarze ubogim w nikiel była w postaci pojedynczego atomu.Wydajność reakcji elektrokatalitycznej redukcji dwutlenku węgla katalizatora przy różnych przyłożonych potencjałach została oceniona w czasie rzeczywistym za pomocą GC podłączonego do wydechu ogniwa elektrochemicznego. Wydajność faradową tlenku węgla i wodoru określono odpowiednio na około 93 procent i 12 procent przy minus punkcie zerowym osiem dwa wolty w porównaniu z RAG. Po opracowaniu, ten taninik utorował drogę naukowcom zajmującym się elektrolizą do zbadania tych katalizatorów jednoatomowych metali przejściowych w sztucznej fotosyntezie, a także w innych zastosowaniach konwersji energii.

synthesis-performance-characterizations-transition-metal-single-atom

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

A "metoda usuwania powłoki ceramicznej" jest przedstawiona w formie wizualnej do syntezy niespiekanych i zakończonych metalem monometalicznych i bimetalicznych nanocząstek wczesnego węglika i azotku metalu przejściowego o regulowanych rozmiarach i strukturach krystalicznych.

Odwrócona synteza mikroemulsji monometalicznych i bimetalicznych nanocząstek węglika i azotku metalu przejściowego we wczesnym okresie przejściowym

Przedstawiono łatwą metodę przygotowania elektrod przy użyciu materiału sypkiego Fe4.5Ni4.5S8. Metoda ta stanowi technikę alternatywną dla konwencjonalnego wytwarzania elektrod i opisuje wymagania wstępne dla niekonwencjonalnych materiałów elektrodowych, w tym prostą metodę badań elektrokatalitycznych.

Proste metody przygotowania elektrod masowych z metali nieszlachetnych do zastosowań elektrokatalitycznych

Protokół opisuje syntezę i testy elektrochemiczne nanodrutów platynowo-niklowych. Nanodruty zsyntetyzowano w wyniku galwanicznego przemieszczenia matrycy z nanodrutu niklowego. Przetwarzanie po syntezie, w tym wyżarzanie wodoru, ługowanie kwasem i wyżarzanie tlenowe, wykorzystano do optymalizacji wydajności i trwałości nanodrutów w reakcji redukcji tlenu.

Synteza nanodrutów platynowo-niklowych i optymalizacja pod kątem wydajności redukcji tlenu

Przedstawiono protokół syntezy gąbczastych i fałdowatych nanocząstek Ni1-xNbxO przez chemiczne wytrącanie.

Metoda wytrącania chemicznego do syntezy modyfikowanych katalizatorów niklu Nb2O5 o dużej powierzchni właściwej

Przygotowanie i testowanie katalizatorów ogniw paliwowych Pt/C jest przedmiotem ciągłych dyskusji w środowisku naukowym w odniesieniu do odtwarzalności i najlepszych praktyk. W ramach prezentowanej pracy zamierzamy przedstawić krok po kroku samouczek dotyczący wytwarzania i testowania katalizatorów Pt/C, które mogą służyć jako punkt odniesienia dla nowatorskich układów katalitycznych.

O przygotowaniu i testowaniu katalizatorów ogniw paliwowych metodą cienkowarstwowej obrotowej elektrody dyskowej

Tutaj prezentujemy protokół przygotowania chromoforów do przenoszenia ładunku na bazie membrany kompozytowej z polioksometalunu/polimeru.

Przygotowanie membran fotoczułych na bazie polioksometalanu do fotoaktywacji katalizatorów tlenku manganu

Tutaj prezentujemy protokół syntezy nanocząstek Co na nanorurkach węglowych z domieszkami Co- i N- do produkcji wodoru.

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

Badania magnetyczne ex situ mogą bezpośrednio dostarczyć dużych i lokalnych informacji na elektrodzie magnetycznej, aby krok po kroku ujawnić mechanizm magazynowania ładunku. W tym artykule wykazano elektronowy rezonans spinowy (ESR) i podatność magnetyczną w celu monitorowania oceny gatunków paramagnetycznych i ich stężenia w redoks-aktywnym szkielecie metaloorganicznym (MOF).

Charakterystyka magnetometryczna produktów pośrednich w elektrochemii ciała stałego redoks-aktywnych struktur metaloorganicznych

Protokół opisuje, jak monitorować zdarzenia elektrochemiczne na pojedynczych nanocząstkach za pomocą powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii rozpraszania Ramana i obrazowania.

Śledzenie elektrochemii pojedynczych nanocząstek za pomocą spektroskopii i mikroskopii rozpraszania Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym

Przedstawiono technikę syntezy umożliwiającą przygotowanie ZnCoS/ZnCdS reagującego na światło widzialne z fotokatalizatorem o podwójnej strukturze krystalicznej oraz technikę testowania reakcji fotoredoksowej jego aktywności fotokatalitycznej i selektywności w ewolucji H2 oraz produkcji benzaldehydu.

Synteza i oceny wydajności ZnCoS/ZnCdS z podwójną strukturą krystaliczną dla wielofunkcyjnej fotokatalizy redoks w zastosowaniach energetycznych

Protokół ten kieruje wytwarzaniem i analizą elektrochemiczną elektrokatalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez MXene do produkcji zielonego paliwa z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii słonecznej.

Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene

Poznaj metodę syntezy jednoatomowych katalizatorów metalu przejściowego w próżniach grafenowych do selektywnej elektrochemicznej redukcji CO2. Technika ta umożliwia skuteczne wychwytywanie pojedynczych atomów i zwiększa aktywność katalityczną w roztworach wodnych.

Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO₂

Przeglądaj więcej filmów