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

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.