Síntese e caracterizações de desempenho de catalisador de átomo de Metal de transição para redução de eletroquímica CO₂

O objetivo geral deste procedimento é a preparação na aplicação eletroquímica de Átomos Únicos de Metal de Transição coordenados em vacâncias de grafeno para redução seletiva de dióxido de carbono em soluções aquosas. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da redução eletrocatalítica de CO2 sobre a preparação de catalisadores e a determinação da atividade de vedação do produto. A principal vantagem dessa técnica é que átomos individuais podem ficar presos em vagas de grafeno e as nenopartículas de metais de transição podem ser firmemente cercadas por camadas de grafeno.

Para iniciar o procedimento, em um frasco de cintilação de 20 mililitros, combine zero vírgula cinco gramas de poliacrilonitrila, zero vírgula cinco gramas de polivinilpirrolidona, zero vírgula cinco gramas de níquel (II) hexahidratado e zero vírgula um grama de dicdiandiamida, com 10 mililitros de dimetilformamida. Aqueça a mistura a 80 graus Celsius e mexa até obter um creme claro e verde. Deixe a mistura do pré-cursor esfriar até a temperatura ambiente depois.

Em seguida, monte um pedaço de oito centímetros por oito centímetros de papel de fibra de carbono de ponto zero e sete milímetros de espessura como substrato de coleta em um aparelho eletrofiatório convencional. Desenhe cinco mililitros da mistura pré-cursor em uma seringa de cinco mililitros. Equipe a seringa com uma agulha de calibre 19 e duas polegadas, como ponta giratória e monte a seringa em uma bomba de seringa.

Configure o aparelho para um espaço de 15 centímetros entre a fiação e a superfície do coletor. Conecte o terminal positivo de uma fonte de alimentação à agulha e o terminal negativo ao substrato de coleta. Configure a fonte de alimentação para fornecer 15 quilovolts de tensão estática para a ponta giratória e menos quatro quilovolts contra o substrato de coleta.

Ligue a bomba de seringa em um ponto dois mililitros por hora e comece a girar eletro. Quando terminar, desligue a energia e transfira o substrato revestido de fibra de polímero para um pedaço de papel alumínio. Em um forno de caixa, aqueça o substrato revestido a 300 graus Celsius ao longo de um vírgula cinco horas.

Mantenha a amostra nessa temperatura por 30 minutos para oxidar as fibras poliméricas que se desprenderão do substrato como um filme autônomo. Remova o substrato e o filme de nanofibra de polímero oxidado destacado do forno. Deixe o filme esfriar até a temperatura ambiente no ar.

Em seguida, corte o filme em pedaços de aproximadamente cinco centímetros por dois centímetros e colete os pedaços em um barco de quartzo. Coloque o barco em um forno tubular no centro da zona de aquecimento. Coloque a amostra na atmosfera do forno três vezes com uma mistura de gás de cinco por cento de hidrogênio em argônio.

Em seguida, mantenha o fluxo de gás em 100SCCM e a pressão do forno em um torque. Aumente o forno primeiro para 300 graus Celsius ao longo de dez minutos. E depois a 750 graus Celsius ao longo de duas horas.

Ambos em taxas de envoltório constantes. Mantenha a amostra a 750 graus Celsius por uma hora. Em seguida, desligue o fogo e deixe a amostra esfriar até a temperatura ambiente no forno sob o fluxo de 100SCCM de cinco por cento de hidrogênio e argônio.

Sele a amostra resfriada em uma esfera de fresagem de aço inoxidável de seis milímetros em um frasco de fresagem de aço inoxidável. Moer a amostra a 3.000 RPM em 60 hertz por cinco minutos para obter o catalisador de casca de grafeno de nitrogênio de níquel como um pó nano. Para iniciar o procedimento de medição, dissolva dois vírgula cinco gramas de bicarbonato de potássio em 250 mililitros de água ultrapura como eletrólito.

Eletrolize a solução eletrolítica entre duas hastes de grafite no ponto zero de um miliampere por 24 horas para remover traços de íons metálicos. Em seguida, cubra a parte de trás de um eletrodo de carbono vítreo limpo, eletroquimicamente polido, de um centímetro por dois centímetros, com uma cera hidrofóbica eletroquimicamente inerte dissolvida em tolueno. Em seguida, coloque em um frasco de cintilação de quatro mililitros, cinco miligramas de nano pó de catalisador de casca de grafeno de nitrogênio níquel, um mililitro de etanol e 100 microlitros de uma solução de iodímero a cinco por cento em álcool isopropílico.

Sonicar a mistura durante 20 minutos para obter uma suspensão homogénea de tinta catalisadora. Aplique 80 microlitros da tinta do catalisador na superfície do eletrodo de carbono vítreo. Seque o eletrodo coberto com catalisador em um dessecador a vácuo por cinco a 10 minutos.

Em seguida, equipe uma célula eletroquímica do tipo H à prova de gás com uma membrana de troca de prótons. Adicione uma linha de gás nitrogênio à câmara que conterá o eletrodo de trabalho. Coloque o eletrodo de trabalho coberto com catalisador e um eletrodo de referência de calomelano saturado em um compartimento da célula e um contra-eletrodo de folha de platina no outro.

Adicione cerca de 25 mililitros da solução eletrolítica purificada a cada compartimento. Conecte os eletrólitos a um potenciostato multicanal. Borbulhe o gás nitrogênio através do eletrólito por 30 minutos a 50SCCM para saturar o eletrólito.

Em seguida, selecione voltametria cíclica no software Potenciostato. Configure o experimento para cinco varreduras CV contínuas de menos zero vírgula cinco volts a menos um vírgula oito volts versus SCE a 50 milivolts por segundo com uma faixa de potencial de eletrodo de trabalho de menos 10 volts a 10 volts e uma faixa de corrente automática. Adquira um CV no eletrólito saturado de nitrogênio.

Em seguida, mude a linha de gás para dióxido de carbono e borbulhe dióxido de carbono através do eletrólito a 50SCCM por 30 minutos. Então, enquanto ainda borbulhava dióxido de carbono a 50SCCM. Adquira outro CV usando os mesmos parâmetros usados anteriormente.

Em seguida, selecione a espectrologia de impedância eletroquímica potenciostática no software Potenciostato. Defina a faixa de frequência para zero vírgula um hertz a 200 kilohertz. Use o potencial de circuito aberto como o potencial inicial.

Execute uma varredura impedida e registre o valor resistente da solução. Corrija os potenciais medidos para a queda de tensão usando essas informações. Monte uma célula eletroquímica do tipo H com um eletrodo de trabalho revestido com casca de grafeno de nitrogênio níquel em bicarbonato de potássio molar de ponto zero purificado como eletrólito, conforme descrito anteriormente.

Configure um cromatógrafo gasoso para usar um sistema de separação de cinco peneiras moleculares de angstrom em uma série de colunas para separar compostos de baixo peso molecular. Equipar o GC com um detector de condutividade térmica e um detector de ionização de chama com um metodizador. Direcione a exaustão da câmara eletroquímica da célula que contém o eletrodo de trabalho para o sample loop do GC usando tubos de vinil com um diâmetro interno de um 16º de polegada.

Passe outro pedaço de tubo de vinil da câmara com o contra-eletrodo para um frasco de água como um monitor de fluxo de gás. Conecte os eletrodos a um potenciostato multicanal e sature o eletrólito com gás dióxido de carbono conforme descrito anteriormente. Mantenha a taxa de fluxo de dióxido de carbono precisamente em 50,0 SCCM.

Use o software Potenciostat para relatar uma curva cronométrica e paramétrica. Ao passar o eletrodo de trabalho de menos zero ponto três volts para menos um ponto zero volts versus RAG. Segurando por 15 minutos em cada passo.

Para cada passo potencial após 10 minutos de eletrólise contínua, amostrar os produtos gasosos com o GC usando um tempo de execução de 16 minutos. Determinar o teor de monóxido de hidrogénio nos gases de escape a partir dos sinais TCD e FID, respectivamente. Calcule a densidade de corrente parcial e a eficiência faradaica para cada produto.

Descobriu-se que as nanopartículas de níquel são distribuídas uniformemente nas nanofibras de carbono do catalisador. As nanopartículas foram encapsuladas em conchas de grafeno de aproximadamente 10 nanômetros de espessura, impedindo o contato direto entre as nanopartículas de níquel e o slater aquoso e, assim, suprimindo uma reação de evolução do hidrogênio. O mapeamento por espectroscopia de raios-X por dispersão de energia em tomografia por sonda atômica mostrou que os átomos de níquel foram incorporados às camadas de grafeno ao redor das nanopartículas.

Os átomos de níquel também foram dispersos em carbono em áreas mais distantes das nanopartículas de níquel. Verificou-se que átomos individuais de níquel são coordenados em vacâncias de grafeno, com uma pequena porcentagem também coordenada com átomos de nitrogênio. A análise estatística indicou que a maior parte do níquel nesta área pobre em níquel estava na forma de átomo único.

O desempenho da reação eletrocatalítica de redução de dióxido de carbono do catalisador em vários potenciais aplicados foi avaliado em tempo real por um GC conectado à exaustão da célula eletroquímica. As eficiências faradaicas de monóxido de carbono e hidrogênio foram determinadas em aproximadamente 93% e 12%, respectivamente, em menos zero vírgula oito dois volts versus RAG. Após seu desenvolvimento, esse tânico abriu caminho para pesquisadores no campo da eletrólise explorarem esses catalisadores de átomos únicos de metais de transição na fotossíntese artificial, bem como outras aplicações de conversão de energia.