Name: Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zCO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti, 3C,2Tx MXene (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-11-07T13:20:00.000+00:00
Duration: 10 min 15 s
Description: Poznaj syntezę i analizę elektrochemiczną katalizatorów CuZn i NiCo na nośniku Ti3C2Tx MXene do produkcji zielonego paliwa z CO2 i wody przy użyciu energii słonecznej.

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

Autorzy pragną podziękować wsparciu Henry Royce Institute for Advanced Materials poprzez Program Współpracy Przemysłowej (RICP-R4-100061) oraz MATcelerateZero (MATZ0), finansowany z grantu przyznanego przez Engineering and Physical Sciences Research Council EP/X527257/1. Autorzy wyróżniają Departament ds. Bezpieczeństwa Energetycznego i Net Zero (ID projektu: NEXTCCUS), Research, Innovation and Global Engagement University College London, University of Sydney - University College London Partnership Awards, UCL-Peking University Strategic Partner Funds, Cornell-UCL Global Strategic Collaboration Awards oraz IISc-UCL Joint Seed Fund za ich wsparcie finansowe. Autorzy doceniają program ACT (Accelerating CCS Technologies, Horizon 2020 Project No. 691712) za wsparcie finansowe projektu NEXTCCUS (ID projektu: 327327). Prace te były wspierane przez Henry Royce Institute for Advanced Materials w ramach Equipment Access Scheme, umożliwiając dostęp do zestawu Royce SEM-FIB w Cambridge; Grant na obiekty Cambridge Royce EP/P024947/1 oraz Sir Henry Royce Institute – grant cykliczny EP/R00661X/1.

Odczynniki i sprzęt użyty w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.
1. Synteza Ti3C2Tx MXene
<ol>
	<li>Przemyj 1 g zoptymalizowanej fazy Ti3AlC2 MAX przy użyciu 9 M kwasu solnego (HCl) przez 18 godzin, aby usunąć zanieczyszczenia międzymetalowe.</li>
	<li>Przygotuj roztwór trawiący, mieszając 12 M HCl, wody dejonizowanej (DI) i kwasu fluorowodorowego 50% masywności (HF) w proporcji objętościowej 6:3:1. UWAGA: Kwas fluorowodorowy (HF) jest wysoce toksyczny i. Wszystkie czynności związane z HF wykonuj w certyfikowanym okapie przeciwwyparowym, nosząc odpowiedni sprzęt ochrony osobistej (PPE), w tym rękawice, fartuch laboratoryjny i przyłbicę.</li>
	<li>Dodaj proszek MAX HCl do roztworu trawiącego i mieszaj z 400 obr./min przez 24 godziny w 35 °C.</li>
	<li>Przemyj trawiony Ti3C2Tx MXene wodą DI poprzez powtarzaną wirówkę w dawce 3234 x g przez 4-5 cykli (~200 mL każdy), każdy cykl po 10 minut, aż supernatant osiągnie neutralne pH około 6.</li>
	<li>Rozwarstwienie MXene należy dodać wymyty osad do roztworu chlorku litu (LiCl) (50 mL na gram trawionego proszku) i mieszać z częstotliwością 400 obr./min przez 1 godzinę w temperaturze 65 °C pod przepływem argonu.</li>
	<li>Przemyj mieszankę przez wirowanie w 3234 x g przez kolejne 5 minut, 10 minut, 15 minut i 20 minut w temperaturze pokojowej.</li>
	<li>Vortex wymieszaj końcową zawiesinę przez 30 minut w temperaturze pokojowej, następnie wiruj w 2380 x g przez 30 minut, aby uzyskać pojedynczą lub kilkawarstwową warstwę Ti3C2Tx MXene.</li>
</ol>
2. Przygotowanie prekursorów
<ol>
	<li>Rozproszyć 300 mg Ti3C2Tx MXen w 100 mL wody DI. Sonikuj przez 5 minut, aby zapewnić stabilną dyspersję.</li>
	<li>Przygotuj 30 mM roztwór cytrynianu miedzi oraz 10 mM roztworu szczawianu w wodzie DI. Upewnij się, że wszystkie rozwiązania są w kapturze z odpowiednią ochroną osobistą, unikając rozlania lub bezpośredniego kontaktu ze skórą.</li>
	<li>Przygotuj 50 mM roztworów azotanu niklu i azotanu kobaltu w wodzie DI.</li>
	<li>Przygotuj dyspersję 5 mg Pt/C w 50 mL wody DI i sonikuj przez 10 minut w temperaturze pokojowej.</li>
</ol>
3. Wytwarzanie elektrod
<ol>
	<li>Oczyść piankę niklową acetonem, a następnie sazotuj w wodzie DI przez 5 minut.</li>
	<li>Aktywuj papier węglowy (CFP), mocząc go w 1 M kwasu azotowego (HNO3) przez 20 minut. Aktywuj CFP w kapturze i używaj rękawiczek oraz odpowiedniego sprzętu ochronnego.</li>
	<li>Zanurz oczyszczoną piankę niklową (5 cm × 5 cm) w roztworze MXene na 5 minut. Susz w temperaturze pokojowej pod próżnią. Oznacz tę próbkę jako MXene-Ni-Foam.</li>
	<li>Naniesienie roztworu MXene natryskowym na aktywowany CFP. Oznacz próbkę jako MXene-CFP. Załaduj 50 ml roztworu Mxene do pistoletu natryskowego. Na odległości 5 cm spryskać tuszem aktywowany CFP, pokrywając całą powierzchnię CFP o wymiarach 2 cm x 2 cm.</li>
	<li>W szklanym ogniwie elektrochemicznym dodaj roztwory prekursorów Cu i Zn. Użyj elektrody referencyjnej Ag/AgCl, platynowej elektrody licznika oraz MXene-CFP jako elektrody roboczej, a następnie połącz elektrody z odpowiednimi połączeniami na potencjostatze. UWAGA: Na przykład elektroda MXene-CFP będzie połączona z połączeniem elektrody roboczej, podobnie jak też. Kąpiel elektrolitowa składała się z 50 mL roztworu cytrynianu Cu o pojemności 30 mM oraz 10 mM szczawianu Zn w wodzie z DI.</li>
	<li>Zastosuj następującą sekwencję osadzania prądu impulsowego: -10 mA/cm2 przez 1 s, 0 mA/cm2 (impuls zerowy) przez 0,5 s, +10 mA/cm² przez 0,5 s.</li>
	<li>Powtarzam przez 1000 cykli, aby zdeponować CuZn. Oznacz powstałą elektrodę jakoCuZn@Ti 3C2T x-MXene-CFP.</li>
	<li>W innej komórce dodaj roztwory prekursorowe Ni i Co. Użyj tej samej konfiguracji elektrod, ale zamień elektrodę roboczą na MXene-Ni-Foam. Upewnij się, że elektrody w ogniwie elektrochemicznym są prawidłowo połączone z odpowiednimi połączeniami na potencjostatze. Kąpiel elektrolityczna składa się z 50 mL azotanu Ni o zawartości 50 mM oraz azotanu Co w wodzie DI.</li>
	<li>Zastosuj ten sam cykl impulsowego osadzania (jak w kroku 3.6) dla zestawów 1000, aby uzyskać NiCo@Ti3C2T x-MXene-Ni-Foam.</li>
	<li>Wlej 50 mL Pt/C do pistoletu do natrysku. Z odległości 5 cm nanieś natrysk Pt/C na siatkę Ni i suszyć w piekarniku próżniowym w 60 °C, aby przygotować referencyjną katodę do elektrolizy wody.</li>
</ol>
4. Charakterystyka strukturalna
<ol>
	<li>Każdą elektrodę pokrój na kawałki o średnicy 0,5 cm × 1 cm.</li>
	<li>Wykonanie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) do analizy fazy i morfologii. UWAGA: Rozmiar części elektrod powinien być zbliżony do wytycznych dotyczących przygotowania próbek instrumentów XRD i SEM.</li>
</ol>
5. Elektrochemiczna redukcjaCO2
<ol>
	<li>Złóż komórkę H z membraną wymienną alkaliczną oddzielającą dwie komory.</li>
	<li>Użyj pianki Ni-Foam jako anody, a CuZn@Ti3C2T x-MXene-CFP (2 cm × 2 cm) jako katody. Użyj 1 M KOH jako elektrolitu w obu komorach. Dokładnie sprawdź, czy nie ma wycieków elektrolitów na styku membranowym. Dokręć złącze, żeby nie było wycieków. UWAGA: KOH jest silnie; Zakładaj odpowiednie środki ochrony osobistej, wkładaj wszystkie roztwory do okapu i unikaj kontaktu ze skórą. Trzymaj wszystkie urządzenia na płaskich powierzchniach, z dala od osobistych włamań i wtyk elektrycznych.</li>
	<li>Włóż elektrodę referencyjną Hg/HgO do komory katody. Uszczelnij system tak, aby był szczelny na gaz. Dodaj rurkę do wlotuCO2 i jedną do wylotu gazu w komorze katodowej.</li>
	<li>PrzepłukajCO2 do komory katodowej z częstotliwością 30 mL/min przez 15 minut, aby nasycić elektrolit.</li>
	<li>Oświetl ogniwo fotowoltaiczne (PV) intensywnością 1 słońca i podłącz je do ogniwa (dodatnia do anody, ujemna do katody).</li>
	<li>Rejestruj cykliczną woltammetrię (CV) od 0 V do -2,5 V przy 50 mV/s oraz EIS (100 kHz do 0,1 Hz) przy potencjale otwartego obwodu.</li>
	<li>Wykonaj pomiar potencjometryczny 0 A na 2 godziny, okresowo rejestrując prąd za pomocą multimetru. Zarejestrowany prąd może być użyty do obliczenia efektywności faradaicznej produktów.</li>
	<li>Podłącz wylot komory katodowej do chromatografu gazowego (GC) do pobierania próbek w linii co 10 minut. Zaprogramuj GC do wykrywania i ilościowego określania gazów trwałych. Użyj upakowanej kolumny, takiej jak sito molekularne, aby zidentyfikować gazy. UWAGA: Temperatura piekarnika jest ustawiona na stopniowe tempowanie z początkową temperaturą 150 °C i czasem utrzymania 2 minuty, a następnie do 200 °C z czasem utrzymania 1 minutę, aby umożliwić prawidłowe rozdzielenie i wydzielanie gazów z mieszaniny.</li>
</ol>
6. Elektrochemiczna elektroliza wody (OER)
<ol>
	<li>Powtórz konfigurację ogniwa H, NiCo@Ti3 C2T x-MXene-Ni-Foam jako anoda i Pt/C@Ni mesh jako katoda. Włóż elektrodę Hg/HgO jako elektrodę referencyjną w komorze anodowej razem z elektrodą roboczą.</li>
	<li>Napełnij obie komory 1 M KOH elektrolitu.</li>
	<li>Nagrywaj CV od 0 V do 1,2 V przy 50 mV/s oraz EIS (10 kHz do 0,1 Hz, amplituda 10 mV) przy potencie otwartego obwodu. W potencjostatycznym autolabie użyj funkcji OCP (potencjał otwartego obwodu) do rejestrowania OCP.</li>
	<li>Oświetl ogniwo fotowoltaiczne światłem 1-słonecznym za pomocą symulatora słonecznego umieszczonego 6 cm od ogniwa lub jasności 1 słońca na ogniwie.</li>
	<li>Podłącz zaciski PV do elektrod i zapisz chronopotencjometryczną krzywą 0 A. Monitoruj i rejestruj prąd do obliczeń efektywności.</li>
	<li>Podłącz wylot katody do GC i analizuj produkcję wodoru co 10 minut za pomocą detektora przewodności cieplnej (TCD) z azotem jako gazem nośnym.</li>
</ol>
7. Zespół elektrolizera bez przerw
<ol>
	<li>Przemyj wodą i przygotuj ogniwo bez przerw. Przygotuj czyste rurki poliwinylpropylenowe oraz inne akcesoria, takie jak wartości push and pull, które pasują do rurki, aby tworzyć połączenia między różnymi częściami zespołu elektrolizy wody alkalicznej.</li>
	<li>Ułóż następujące elementy kolejno: płytkę anodową komórki, NiCo@Tianoda 3C2T x-MXene-Ni-Foam, uszczelkę (taką samą lub nieco grubszą (0,1 mm) niż grubość anody), membranę wymienną alkaliczną, uszczelkę, katodę Pt/C oraz na końcu płytkę ogniwa katodowego. Używaj prętów pozycjonujących do wyrównania, jeśli jest dostępne, lub upewnij się, że warstwy są sztywne i nieruchome na stole.</li>
	<li>Złóż elektrolizer z prawidłowym wyrównaniem wszystkich warstw i płyt końcowych. Mocno zabezpiecz za pomocą.</li>
	<li>Podłącz ogniwo do pomp perystaltycznych krążących 30% KOH przy 30 mL/min. Przepływ elektrolitów można regulować, a w zależności od ewolucji gazu i temperatury elektrolity można zwiększyć dla lepszego usuwania i aktywności gazu.</li>
	<li>Utrzymuj zbiornik elektrolitu w temperaturze 60 °C za pomocą kąpieli olejowej i monitoruj ją sondą temperatury. Upewnij się, że nie dotykaj ogniwa ani zbiornika bez rękawic termicznych. UWAGA: 30% KOH jest bardzo i może powodować oparzenia. Wszystkie eksperymenty wykonuj z odpowiednim środkiem ochrony osobistej. Przechowuj nadmiar elektrolitów w okapie i trzymaj zbiornik elektrolitowy na płaskiej powierzchni, która jest dobrze podparta i zrównoważona, aby uniknąć rozlania.</li>
</ol>
8. Obliczanie efektywności Faradai'owskiej
<ol>
	<li>Użyj następującego równania: 
	<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/68870/68870eq1.jpg" /> Gdzie Qprod to ładunek użyty do utworzenia produktu (np. wodór lub iloczynCO2R), a Qcałkowity ładunek to całkowity przepuszczony ładunek. UWAGA: Utylizować wszystkie odpady zawierające HF i HCl zgodnie z procedurami dotyczącymi odpadów niebezpiecznych w instytucjach. Skonsultuj się z kartami danych o ochronie materiałów (MSDS) oraz personelem ds. zdrowia i bezpieczeństwa środowiska (EHS) w celu uzyskania wskazówek dotyczących utylizacji.</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Niniejsze badanie przedstawia protokół syntezy elektrod bimetalicznych dla reakcji redoksowych napędzanych przez słońce do generowania paliwa. Dekarbonizacja sektora energetycznego w dużej mierze zależy od konwersjiCO20 35,36,37 oraz stosowania paliw o zerowej emisji, takich jak wodór wytwarzany z wody 38,39. Elektrochemiczna transformacja dwutlenku węgla i wo...

Zastąpienie paliw kopalnych alternatywami o zerowej emisji jest kluczowe dla dekarbonizacji sektora energetycznego i zwiększenia wykorzystania energii odnawialnej 1,2,3. Przekształcanie dwutlenku węgla (CO2) w tlenek węgla (CO), metan (CH4) i inne paliwa węglowe staje się ważną drogą zapobiegania dalszym emisjomCO2 itworzenia gospodarki dwutlenkowej 4. Podobnie, zastąpienie paliw kopalnych wodorem o wysokiej gęstości energii ma przyspieszyć przejście energetyczne z paliw opartych na kopalnych na paliwa zeroemisyjne 5,6,7,8. System wytwarzania energii może być dodatkowo opłacalny i przyjazny dla środowiska, wykorzystując bezpośrednie światłosłoneczne 9,10,11,12. Transformacja zielonej energii może przynieść pozytywne efekty społeczno-ekonomiczne, szczególnie poprzez wzmacnianie wpływu społecznego i tym samym zwiększanie kapitału społecznego związanego z zerową emisją paliw13.
Szeroki zakres badań poświęcono elektrochemicznej redukcjiCO2 i generacji wodoru 14,15 napędzanej przez energię słoneczną. Materiały na bazie miedzi wykazały doskonałą aktywność (>70% efektywności faradaicznej w kierunku produktuC2) w zakresie redukcjiCO2 16,17,18,19. Systemy bimetaliczne składające się z miedzi prowadzą do wzrostu efektywności Faradaickiej (FE) oraz ogólnej szybkości konwersji dwutlenku węgla. Główne wyzwania to wysokie przeciążenia, niższa efektywność faradaicka oraz selektywność pojedynczego produktu20. Integracja systemów fotowoltaicznych (PV) z reakcjami elektrochemicznymi wymaga nakładania się aktywności faradaicznej elektrokatalizatora z maksymalną mocą ogniwa słonecznego, aby osiągnąć zrównoważone tempo produkcji paliwa21,22. Systemy bimetaliczne Ni and Co były szeroko opisywane jako wysokowydajne anody do elektrolizy wody alkalicznej ze względu na ich nadpotencjał <600 mV przy prądach >100 mA/cm 23,24. Szybka degradacja katalizatora w prądach istotnych dla przemysłu ogranicza ich użyteczność jako anod komercyjnych. Zwarcie wywołane elektrolitami przez korozję na styku między warstwą metalu a podłożem dodatkowo utrudnia elektrolizę wody25,26.
MXenes, rosnąca rodzina dwuwymiarowych (2D) karbydów, atrydów i karbonitridów metali przejściowych, stały się obiecującymi materiałami do elektrochemicznej reakcji CO2Rze względu na swoje unikalne właściwości strukturalne i elektroniczne27,28. Po raz pierwszy odkryte w 2011 roku, MXenes pochodzą głównie z warstwowych faz Mn+1AXn (gdzie n = 1-4), które składają się z n+1 warstw jednego lub więcej metali przejściowych (M, zazwyczaj z grup 4-6), przeplatanych warstwami X, węglem (C), azotem (N) lub obiema (CN) oraz pierwiastkiem grupy A (zwykle z grup 13-16). Ich skład można strojić za pomocą różnych metali przejściowych grup 4 do 6, podsieci X (C/N), a Tx oznacza zakończenia powierzchni (np. -O, -OH, -F, -Cl)27,29,30). W CO2R MXenes są aktywnie badane jako współkatalizatory lub podpory ze względu na ich regulowalną chemię powierzchni, katalistycznie aktywne miejsca, dużą powierzchnię właściwą oraz przewodność elektryczną przypominającą metal.
Najnowsze badania teoretyczne przewidują, że dekorowanie MXenes bimetalicznymi lub pojedynczymi atomami może znacząco poprawić wydajność CO2R poprzez modulację ich struktury elektronowej. Strategie te przesuwają środek pasma d, modulują energie pośredniej adsorpcji oraz obniżają bariery energii swobodnej Gibbsa w krokach 31,32,33. Na przykład wykazano, że Mo2ZC2 MXenes (Z = Ti, V itd.) wzmacniają adsorpcję -HOCH2O i osłabiają wiązanie -OCH2O w elektrochemicznym CO2RR, zmniejszając tym samym potencjał ograniczający produkcję CH4 spowodowany przesunięciem w paśmie d w centrum atomów Mo. W innym badaniu Ti,3C xTx MXene dopłynięte przez Cu, osiągnęły sprawność Faradaicznej 58,1% w zakresie produkcji HCOO, wprowadzając polaryzowane miejsca ułatwiające adsorpcję pośrednią i transfer elektronów. Te nieliczne badania teoretyczne wskazują na potencjał badania bimetalicznych katalizatorów opartych na MXene w dostosowywaniu szlaków RRCO2.
Tutaj zsyntetyzowaliśmy CuZn@Ti3C2Tx MXene orazNiCo@Ti 3C2Tx MXene do elektrolizy CO2R oraz wody za pomocą prostej elektrodepozycji w jednym garnku. Zoptymalizowana procedura może być stosowana do nanoszenia różnych układów bimetalicznych lub polimetalicznych w zakresie stężenia od 5 do 100 mM każdy z kontrolą pH. Każdy zestaw pożądanych układów wymagałby strojenia pH i gęstości prądu zgodnie z ich potencjałami elektrochemicznymi, potencjałem osadzania, warunkami reakcji itd. Chociaż osadzanie można przeprowadzić na układzie dwuelektrodowym, zaleca się lepszą kontrolę napięcia depozycji za pomocą elektrod referencyjnych. Metoda ta pozwala na osadzanie dużych struktur oraz drobnych cząstek poprzez kontrolowanie parametrów reakcji, takich jak gęstość prądu, stosunek czasu włączenia-wyłączenia oraz pH. Udoskonalona i zoptymalizowana struktura ziaren dostrojona impulsami prądu wstecznego wykazuje wysoką sprawność Faradai'a (56% dla węglowodorów) dlaCO2R przy bardzo niskiej degradacji katalizatora. Elektroliza wody jest demonstrowana naNiCo@Ti 3C2Tx MXene w ogniwie H w warunkach laboratoryjnych z 98% FE oraz w ogniwie bez szczeliny w warunkach przemysłowych. Pokazano również demonstrację ustalania produktu in-line za pomocą chromatografii gazowej. Cała integracja systemu i jej działanie były ściśle monitorowane przy użyciu protokołów bezpiecznych z założenia ustanowionych w naszym laboratorium34.

<table><tbody><tr><td>Autolab 302</td><td>Metrohm UK</td><td>PGSTAT302N</td><td>Ocenia aktywność elektrochemiczną systemu (CO2R i WE)</td></tr><tr><td>Heksahydrat azotanu kobaltu</td><td>Sigma aldrich&nbsp;</td><td>98 10026-22-9</td><td>Prekursor anody elektrolizy wody</td></tr><tr><td>Trihydrat azotanu miedzi</td><td>Sigma Aldrich</td><td>10031-43-3.</td><td>prekursor katody CO2R</td></tr><tr><td>Źródło światła</td><td>SOION Tech</td><td>Lampa ksenonowa</td><td>Źródło światła do oświetlenia ogniwa słonecznego</td></tr><tr><td>Heksahydrat azotanu niklu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>13478-00-7</td><td>Prekursor anody elektrolizy wody</td></tr><tr><td>Chromatografia gazowa online</td><td>Agilent</td><td>8890</td><td>podłączony do ogniwa elektrochemicznego i wykonuje pętle próbki, ~10 mikrolitrów gazu co 10 minut lub czas opisany w poleceniu identyfikacji i ilościości.</td></tr><tr><td>Pompy perystaltyczne & nbsp;</td><td>SOION Tech</td><td>BT100-3J</td><td>do przepływu elektrolitu w ogniwie o zerowej szczelinie.</td></tr><tr><td>Wodorotlenek potasu</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1310-58-3</td><td>Elektrolit do elektrolizy CO2R i wody.</td></tr><tr><td>Ogniwo słoneczne (ogniwo fotowoltaiczne)</td><td>Magazyn ogniw paliwowych</td><td></td><td>Ogniwo tandemowe krzemowe, które może dostarczyć do 4 woltów potencjału i prądy ~300 mA</td></tr><tr><td>Membrana podtrzymywania</td><td>Materiały dwutlenkowe</td><td>X37-50 Grade RT</td><td>membrana wymiany anionów używana do transportu jonów z katody do anody oraz gazu stopowego i przejścia produktu.</td></tr><tr><td>Ti3C2Tx MXene</td><td>Laboratorium Anasoriego, Uniwersytet Purdue</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Vionic</td><td>Metrohm UK</td><td>3500001080</td><td>Ocenia aktywność elektrochemiczną układu (CO2R i WE) przy wyższych prądach. Ma wyższe okna prądowe i potencjalne.</td></tr><tr><td>Cytrynian</td><td>Sigma Aldrich</td><td>480762</td><td>prekursor katody CO2R</td></tr></tbody></table>

produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną zco2 i wody z użyciem katalizatorów cuzn i nico wspieranych przez ti, 3c,2tx mxene

Solar-Driven Electrochemical Green Fuel Production from CO2 and Water Using Ti3C2Tx MXene-Supported CuZn and NiCo Catalysts

Protokół ten opisuje syntezę i mapowanie aktywności katod dwumetalicznych, wspieranych MXene do redukcji dwutlenku węgla (CO2R) oraz anod do rozszczepiania wody wykorzystujących energię słoneczną w ośrodkach alkalicznych. Do kontroli nanostruktury, rafinacji ziaren oraz składu stopów wytwarzanych elektrod zastosowano technikę elektrodepozycji impulsu odwrotnego prądu. Zarówno anody, jak i katody są wolne od metali szlachetnych i wspierane na dwuwymiarowym (2D) węgliku tytanu (Ti3C2Tx) MXene, co zmniejsza opór kontaktowy i ułatwia transfer ładunku z podłoża do reagentów za pomocą katalizatorów. Miedź i (CuZn) obsługiwane na Ti3C2Tx MXene są używane jako katody do produkcji metanolu w termokatalitycznej konwersjiCO2 , a tutaj po raz pierwszy zademonstrowaliśmy ich skuteczność w elektrochemicznej redukcji CO2 (CO2R). Kobalt niklowy (NiCo) obsługiwany na Ti3C2Tx MXene jest podobnie wytwarzany przez elektrodepozycję impulsową i testowany jako anody do elektrolizy wody napędzanej ogniwem słonecznym w uproszczonych warunkach laboratoryjnych. Aktywność ta opisuje również charakterystykę strukturalną cienkich warstw metalicznych. Szczegółowa konfiguracja integracji nowoczesnego ogniwa krzemowego z tandemem z ogniwem elektrochemicznym, który z kolei zasila chromatografię gazową liniową, została zademonstrowana zarówno dla elektrolizyCO2R, jak i wody (WE). Na wykonanej anodzie z katodą pokrytą natryskiem Pt/C demonstrowano instalację szczegółowo opisującą elektrolizę wody w warunkach komercyjnych przy wysoce roztworach alkalicznych (30% KOH), w wysokich temperaturach (60 °C) oraz w ogniwie zero-gap oraz w ogniwie bez przerw.

Do analizy stałej struktury krystalicznej metalowych stosuje się technikę dyfrakcji rentgenowskiej. Wytnij próbki filmu odpowiednio wielkej wielkości (pasujące do fragmentu próbki maszyny XRD). Załaduj próbki do maszyny i skanuj w zakresie 2Θ od 10° do 80°. Uzyskany wykres XRD pokazuje sygnały szczytowe dla płaszczyzn krystalicznych obecnych w materiale. Wykorzystaj wzorzec referencyjny International Centre for Diffraction Data (ICDD) do identyfikacji i dalszej analizy struktury krystalic...

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

This protocol describes the synthesis and activity mapping of bi-metallic, MXene-supported cathodes for carbon dioxide reduction (CO2R) and anodes for ...

Zakres naszej pracy obejmuje szeroko tezę, charakteryzację i analizę nowych przełomowych spoiw, wolnych folii katalizatorowych do produkcji paliw słonecznych z wody i dwutlenku węgla. Główne wyzwania w tej dziedzinie to niska efektywność paraikalna w zakresie odpowiedniej produkcji, długoterminowych katalizatorów, trwałości oraz skalowalności systemu. Na początek wyczyść piankę niklową acetonem, a następnie przez pięć minut sprzymierz piankę niklową w wodzie dejonizowanej.Pod maską oparową namocz papier węglowy w kwas azotowym z jednego trzonowca na 20 minut, aby go aktywować, zakładając rękawiczki i odpowiedni sprzęt ochrony osobistej. Zanurz oczyszczoną piankę niklową i roztwór MXene na pięć minut. Po wysuszeniu próbki oznacz ją jako piankę niklową MXene.Teraz załaduj 50 mililitrów roztworu MXenu do pistoletu i spryskaj roztwór na piankę niklową. Następnie dodaj roztwory prekursorów miedzi i do szklanej komórki elektrochemicznej. Do ogniwa należy włożyć elektrodę referencyjną z chlorku srebra lub srebra, elektrodę liczną platyny oraz elektrodę roboczą z papieru węglowego MXene.Następnie podłącz każdą elektrodę do jej odpowiedniego zacisku na statycie potencjału. Stosuj zadaną sekwencję osadzania prądem impulsowym i powtarzaj przez 1 000 razy, aby osadzić warstwę miedzi i. W osobnym ogniwie elektrochemicznym dodaj roztwory prekursorów niklu i kobaltu.Użyj tej samej konfiguracji elektrod, ale zamień elektrodę roboczą na piankę niklową MXene. Przygotuj kąpiel elektrolitową w 50 mililitrach azotanu niklu o stężeniu 50 milimolarnych w azotanie kobaltu, rozpuszczonym w wodzie zdejonizowanej. Podłącz wszystkie elektrody do odpowiednich wejść w parametrze potencjału, dbając o to, by pianka niklowa MXene była podłączona jako elektroda robocza.Zastosuj ten sam cykl osadzania impulsowego, co wcześniej demonstrowano dla zestawów 1 000, aby uzyskać zintegrowaną piankę niklowo-kobaltową z węglika titanu MXene niklowo-niklowej. Aby złożyć ogniwo wodorowe z dwoma przedziałami, należy włożyć membranę wymienną alkaliczną, aby oddzielić dwie komory. Użyj pianki niklowej jako anody, a miedzi dwucentymetrowej na dwa centymetry w elektrodzie węglowej MXene na elektrodzie z włókna węglowego jako katodzie.Następnie napełnij obie komory jednym molowym roztworem wodorotlenku potasu jako elektrolitem. Dokładnie sprawdź złącze membranowe pod kątem wycieków elektrolitów i w razie potrzeby je dokręć. Teraz włóż elektrodę referencyjną rtęciową lub tlenku rtęci do komory katodowej i uszczelnij cały system, aby zapewnić szczelność gazową.Dodaj jedną rurkę do wlotu dwutlenku węgla i drugą do wylotu gazu w komorze oczyszczającej. Następnie wypłukać dwutlenek węgla do komory oczyszczającej z częstotliwością 30 mililitrów na minutę przez 15 minut, aby nasycić elektrolit. Oświetl ogniwo fotowoltaiczne jedną intensywnością słoneczną i podłącz je do ogniwa.Teraz rejestruj cykliczną voltametrię od zera woltów do 2,5 V z prędkością skanowania 50 milivoltów na sekundę oraz EIS przy potencjale otwartego obwodu. Wykonaj pomiar chronoamperometryczny zera amperu przez dwie godziny. Okresowo rejestruj prąd za pomocą multimetru, aby obliczyć sprawność Faradika produktów.Podłącz wylot gazu z komory katodowej do chromatografu gazowego do pobierania próbek w linii co 10 minut. Zaprogramuj chromatograf gazowy do wykrywania i ilościowego określenia gazów trwałych za pomocą upakowanej kolumny, takiej jak sito molekularne. Ustaw temperaturę piekarnika na 150 stopni Celsjusza z dwuminutowym podtrzymaniem.Następnie podkręcaj temperaturę do 200 stopni Celsjusza z minutowym zatrzymaniem dla skutecznego rozdzielenia i emisji gazów. Powtórz montaż ogniwa H z użyciem niklu kobaltu na węgliku tytanu, pianki niklowej MXene jako anody oraz platyny na siatce niklowej powlekanej węglowym jako katodzie. Do komory bezechowej wraz z elektrodą roboczą należy włożyć elektrodę referencyjną rtęci lub tlenku rtęci.Napełnij obie komory komórki H jednym molowym roztworem wodorotlenku potasu. Rejestruj cykliczną woltammetrię od zera woltów do 1,2 V z prędkością skanowania 50 milivoltów na sekundę i EIS w warunkach otwartego obwodu. Użyj funkcji określania OCP w statystyce potencjału laboratorium samochodowego, aby zarejestrować potencjał otwartego obwodu.Teraz oświetl ogniwo fotowoltaiczne za pomocą symulatora słonecznego ustawionego pięć centymetrów dalej, ustawionego na jedną intensywność światła słonecznego. Podłącz zaciski ogniwa fotowoltaicznego do elektrod i wykonaj pomiar chronoampetontiometryczny o mocy 0 amperów. Monitoruj i rejestruj prąd w celu uzyskania obliczeń efektywności.Teraz podłącz wylot gazu z komory katodowej z chromatografem gazowym. Następnie co 10 minut analizuje produkcję gazu wodorowego za pomocą detektora przewodności cieplnej i azotu jako gazu nośnego. Po umyciu elementów wodą zacznij składać ogniwo elektrolizera o zerowej szczelinie.Przygotuj czyste rurki poliwinylpropylenowe i zamontuj kompatybilne zawory push and pull, aby stworzyć połączenia między różnymi częściami instalacji elektrolizy wody alkalicznej. Ułóż elementy ogniwa kolejno, zaczynając od płyty anody ogniwa niklowo-kobaltowej przy węgliku titanu MXene i anodzie Ni-pianki, uszczelce, membranie wymiennej alkalicznej, kolejnej uszczelce, katodzie platynowo-węglowej, a na końcu płytce ogniwa katodowej. Użyj prętów wyrównania, jeśli są dostępne, lub mocno ustaw warstwy ręcznie na stole, aby utrzymać je na miejscu.Aby złożyć elektrolizer o zerowej szczelinie, należy prawidłowo wyrównać wszystkie warstwy i płyty końcowe oraz zabezpieczyć je. Podłącz złożoną komórkę do pomp perystaltycznych krążących 30% wodorotlenku potasu z przepływem 30 mililitrów na minutę. Utrzymuj zbiornik elektrolitu w temperaturze 60 stopni Celsjusza za pomocą kąpieli olejowej.Monitoruj temperaturę sondą i unikaj dotykania ogniwa lub zbiornika bez rękawic termicznych. Wzór dyfrakcyjny węglika węglika titanu MXene wykazywał charakterystyczne piki dla metalowej struktury z węglika glinu. Po selektywnym trawieniu i delaminacji piki przesunęły się na niższe kąty, co sugeruje syntezę węglika tytanu MXene.Obraz fazy MXene z węglika węglika titanu w mikroskopie elektronowym ujawnił jego warstwową morfologię. Po selektywnym trawieniu i delaminacji, obraz skaningowego węglika węglika titanu MXene naniesiony na anodowy szablon Illumina wykazał morfologię przypominającą łuski składającą się z pojedynczych lub kilku warstw. Obrazy dyfrakcyjne rentgenowskie i skaningowym mikroskopem elektronowym potwierdziły struktury miedzi i w węgliku tytanu MXene w papierze z włókna węglowego oraz niklu kobaltu w węgliku tytanu MXene w pianie niklowej.Pomiary cyklicznej woltammetrii w jednomolowym wodorotlenku potasu wykazały wyraźne krzywe redukcji dwutlenku węgla przez miedź cynkowy w MXene i papier z włókna węglowego oraz dla elektrolizy wody przez nikel kobalt w piance MXene i niklu. EIS wykazał różne profile oporności dla katody miedzi cynkowej w MXene i CFP w redukcji dwutlenku węgla oraz anody niklowo-kobaltowej w MXene i pianki niklowej w elektrolizie wody. Profil CV i chronoamperogramy obserwowano przy różnych zastosowanych potencjałach komórkowych.Układ biometaliczny, o niższym potencjale nadprodukcyjnym, dobrze radzi sobie przy przemysłowej gęstości prądu i ma długie godziny pracy. Zajmujemy się syntezą nowatorskich, ekonomicznych, skalowalnych i obfitych dla funkcjonalnej anody biomechanicznej i katody do redukcji dwutlenku węgla w rozpuszczalności w wodzie. Nasze ustalenia utorowały drogę do nowego jednoetapowego nawarstwiania filmu, które może prowadzić do powstawania produktów wielowęglowych i zielonego wodoru przy niskim zużyciu energii.

solar-driven-electrochemical-green-fuel-production-from-co2-water

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Przedstawiono ogólną strategię opracowania kompozytów nanokryształów półprzewodnikowych z separacją ładunku, które można wykorzystać w produkcji energii słonecznej. Wykazano, że zgrupowanie domen nanokryształów typu donora i akceptora w obrębie pojedynczej nanocząstki nadaje jej funkcję fotokatalityczną, podczas gdy heterozłącza objętościowe (bulk-heterojunctions) w filmach z nanokryształów typu donora i akceptora mogą być wykorzystywane do fotowoltażnej konwersji energii.

Pozyskiwanie energii słonecznej za pomocą nanocryształów rozdzielających ładunki oraz ich ciał stałych

Przedstawiono procedury przygotowania segmentowanych i współosiowych nanoprzewodów za pomocą elektroosadzania szablonowego w nanoporach. Jako przykłady wykonano segmentowane nanodruty składające się z segmentów Ag i ZnO oraz współosiowe nanodruty składające się z powłoki TiO2 i rdzenia Ag. Nanodruty wykorzystano w eksperymentach z fotokatalitycznym tworzeniem wodoru.

Przygotowanie i stosowanie fotokatalitycznie aktywnego segmentowego Ag|ZnO i koncentryczne nanodruty TiO2-Ag wykonane metodą elektroosadzania szablonowego

Przedstawiono protokół fotochemicznego wzrostu oksydacyjnego małych krystalicznych nanocząstek tlenku irydu na powierzchni CdSe@CdS zasianych nanocząstek pręcików.

Fotochemiczny wzrost oksydacyjny nanocząstek tlenku irydu na CdSe@CdS nanoprętach

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

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

Przedstawiamy protokół poprawy wydajności fotoredukcji CO2 do CH4 poprzez zwiększenie intensywności padającego światła poprzez technologię koncentracji energii słonecznej.

Fotoredukcja CO2 do wydajności CH4 przy skoncentrowanym świetle słonecznym

Bezpośrednio włączyliśmy organiczny barwnik na bazie stylbenu do rdzenia kobaloksymu, aby wygenerować diadę fotosensybilizatora-katalizatora do fotokatalitycznej produkcji H2. Opracowaliśmy również prosty układ eksperymentalny do oceny produkcjiH2 sterowanej światłem przez montaże fotokatalityczne.

Opracowanie hybryd fotouczulacza i kobaloksymu do produkcjiH2 napędzanej energią słoneczną w wodnych warunkach tlenowych

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

Ten protokół wprowadza projektowanie i ocenę innowacyjnych trójwymiarowych elektrod do ogniw paliwowych z nadtlenkiem wodoru, wykorzystujących tkaninę z włókna węglowego galwanizowanego Au i elektrody z pianki niklowej. Wyniki badań podkreślają potencjał nadtlenku wodoru jako obiecującego kandydata na zrównoważone technologie energetyczne.

Bezmembranowe ogniwa paliwowe z nadtlenkiem wodoru jako obiecujące źródło czystej energii

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

Poznaj syntezę i analizę elektrochemiczną katalizatorów CuZn i NiCo na nośniku Ti3C2Tx MXene do produkcji zielonego paliwa z CO2 i wody przy użyciu energii słonecznej.

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

Produkcja elektrochemicznego zielonego paliwa napędzanego energią słoneczną z_CO2 i wody z użyciem katalizatorów CuZn i NiCo wspieranych przez Ti_{, 3}C,₂T_x MXene

Przeglądaj więcej filmów