Синтез и характеристики производительности переходных металлов один атом катализатора для электрохимических CO₂ сокращения

Общей целью данной процедуры является подготовка в электрохимическом применении одиночных атомов переходных металлов, скоординированных в графеновых вакансиях, к селективному восстановлению углекислого газа в водных растворах. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области электрокаталитического восстановления CO2 о подготовке катализаторов и определении активности уплотнения продукта. Основное преимущество этого метода заключается в том, что отдельные атомы могут быть захвачены в графеновых вакансиях, а неночастицы переходного металла могут быть плотно окружены слоями графена.

Чтобы начать процедуру, в 20-миллилитровом сцинтилляционном флаконе смешайте ноль целых пять десятых грамма полиакрилонитрила, ноль целых пять целых пять граммов поливинилпирролидона, ноль целых пять десятых грамма гексагидрата никеля (II) и ноль целых одной целой одной граммы дикдиандиамида с 10 миллилитрами диметилформамида. Нагрейте смесь до 80 градусов Цельсия и перемешайте до прозрачности и зеленого цвета. После этого дайте предварительной смеси остыть до комнатной температуры.

Затем установите кусок бумаги из углеродного волокна толщиной 8 на 8 на 8 сантиметров в качестве подложки для сбора в обычном электропрядильном аппарате. Наберите пять миллилитров прекурсорной смеси в пятимиллилитровый шприц. Оснастите шприц двухдюймовой иглой 19 калибра в качестве вращающегося наконечника и установите шприц на шприцевой насос.

Настройте аппарат на 15-сантиметровое пространство между спиннингом и поверхностью коллектора. Подсоедините положительную клемму источника питания к игле, а отрицательную — к подложке для сбора. Настройте источник питания так, чтобы он подавал 15 киловольт статического напряжения на вращающийся наконечник и минус четыре киловольта на сборную подложку.

Запустите шприцевой насос в одной точке со скоростью два миллилитра в час и начните электроспиннинг. После этого выключите питание и перенесите подложку, покрытую полимерным волокном, на кусок алюминиевой фольги. В коробчатой печи нагрейте покрытую подложку до 300 градусов Цельсия в течение одной точки пяти часов.

Подержите образец при этой температуре в течение 30 минут, чтобы окислить полимерные волокна, которые будут отделяться от подложки в виде отдельной пленки. Удалите подложку и отделенную пленку из окисленного полимерного нановолокна из печи. Дайте пленке остыть до комнатной температуры на воздухе.

Затем разрежьте пленку примерно на нулевые целые пять сантиметров на два сантиметра и соберите кусочки в кварцевую лодку. Поместите лодку в трубчатую печь в центре зоны нагрева. Трижды поместите образец в атмосферу печи с газовой смесью, содержащей пять процентов водорода в аргоне.

Затем поддерживайте расход газа на уровне 100SCCM и давление в печи на уровне одного крутящего момента. Сначала увеличьте температуру печи до 300 градусов Цельсия в течение десяти минут. А затем до 750 градусов по Цельсию в течение двух часов.

И то, и другое при постоянной скорости наматывания. Подержите образец при температуре 750 градусов Цельсия в течение одного часа. Затем выключите огонь и дайте образцу остыть до комнатной температуры в печи под потоком 100SCCM из пяти процентов водорода и аргона.

Запечатайте охлажденный образец в шестимиллиметровый фрезерный шар из нержавеющей стали в банке для измельчения нержавеющей стали. Шаровая мельница образца при 3000 об/мин при частоте 60 герц в течение пяти минут, чтобы получить никель-азотно-графеновый катализатор в виде нанопорошка. Чтобы начать процедуру измерения, растворите две целых пять десятых грамм бикарбоната калия в 250 миллилитрах ультрачистой воды в качестве электролита.

Электролизуйте раствор электролита между двумя графитовыми стержнями при нулевой точке одного миллиампера в течение 24 часов, чтобы удалить следы ионов металлов. Затем покройте заднюю часть чистого, электрохимически отполированного, размером один на два сантиметра стеклоуглеродного электрода электрохимически инертным гидрофобным воском, растворенным в толуоле. Затем поместите в четырехмиллилитровый сцинтилляционный флакон пять миллиграммов нанопорошка катализатора с никель-азотом и графеновой оболочкой, один миллилитр этанола и 100 микролитров пятипроцентного раствора йодимера в изопропиловом спирте.

Ультразвуком обработайте смесь в течение 20 минут до получения однородной каталитической красочной суспензии. Нанесите 80 микролитров чернил катализатора на поверхность стекловидного угольного электрода. Высушите покрытый катализатором электрод в вакуумном эксикаторе в течение пяти-10 минут.

Затем оснастите газонепроницаемую электрохимическую ячейку H-типа протонообменной мембраной. Добавьте газообразный трубопровод азота в камеру, в которой будет находиться рабочий электрод. Поместите рабочий электрод, покрытый катализатором, и насыщенный каломельный электрод сравнения в одном отсеке ячейки, а противоэлектрод из платиновой фольги - в другом.

Добавьте в каждый отсек около 25 миллилитров очищенного раствора электролита. Подключите электролиты к многоканальному потенциостату. Пузырьковый газообразный азот пропустите через электролит в течение 30 минут при температуре 50SCCM, чтобы насытить электролит.

Затем выберите циклическую вольтамперометрию в программном обеспечении Potentiostat. Настройте эксперимент для пяти непрерывных сканирований CV от минус нуля целых пяти десятых вольт до минус одной целых восьми десятых вольт против SCE при напряжении 50 милливольт в секунду с диапазоном потенциалов рабочих электродов от минус 10 вольт до 10 вольт и автоматическим диапазоном тока. Приобретите CV в насыщенном азотом электролите.

Затем поменяйте газовую магистраль на углекислый газ и пузырьковый углекислый газ через электролит при температуре 50SCCM в течение 30 минут. Затем, пока еще пузырится углекислый газ на 50SCCM. Получите еще одно резюме, используя те же параметры, что и ранее.

Затем выберите потенциостатическую электрохимическую импедансную спецологию в программном обеспечении Potentiostat. Установите частотный диапазон на нулевую целую одну десятую с герцом на 200 килогерц. В качестве начального потенциала используйте потенциал разомкнутой цепи.

Выполните сканирование с препятствиями и запишите значение стойкости раствора. Скорректируйте измеренные потенциалы для падения напряжения, используя эту информацию. Соберите электрохимическую ячейку H-типа с рабочим электродом, покрытым никель-азотом и графеновой оболочкой, в очищенном бикарбонате калия с нулевым нулем целых одной молярной единицы в качестве электролита, как описано ранее.

Настройте газовый хроматограф для использования системы разделения из пяти ангстремовых молекулярных сит в серии колонок для разделения низкомолекулярных соединений. Оснастите ГЦ детектором теплопроводности и пламенно-ионизационным детектором с методизатором. Направьте выхлопные газы из камеры электрохимической ячейки, содержащей рабочий электрод, в контур образца ГХ с помощью виниловой трубки с внутренним диаметром в одну 16-ю дюйма.

Проложите еще одну длину виниловой трубки от камеры с противоэлектродом к колбе с водой в качестве монитора расхода газа. Подключите электроды к многоканальному потенциостату и насытите электролит углекислым газом, как описано ранее. Поддерживайте скорость потока углекислого газа на уровне 50,0 SCCM.

Используйте программное обеспечение Potentiostat для создания хронометрических и параметрических кривых. При этом шаг рабочего электрода от минус нуля целых трех вольт до минус одной целой ноль десятых вольт по отношению к RAG. Удерживая по 15 минут на каждом шаге.

Для каждого потенциального этапа после 10 минут непрерывного электролиза отбирайте пробы газовых продуктов с помощью ГХ, используя время выполнения 16 минут. Определите содержание монооксида водорода в выхлопных газах по сигналам TCD и FID соответственно. Рассчитайте парциальную плотность тока и фарадическую эффективность для каждого изделия.

Было обнаружено, что наночастицы никеля равномерно распределены в углеродных нановолокнах катализатора. Наночастицы были инкапсулированы в оболочку из графена толщиной около 10 нанометров, предотвращая прямой контакт между наночастицами никеля и водным сланцем и, таким образом, подавляя реакцию выделения водорода. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, картирование которой проводилось в атомно-зондовой томографии, показало, что атомы никеля были включены в слои графена вокруг наночастиц.

Атомы никеля также диспергировались в углероде в областях, удаленных от наночастиц никеля. Было обнаружено, что одиночные атомы никеля координируются в графеновых вакансиях с небольшим процентом, также координируемым с атомами азота. Статистический анализ показал, что большая часть никеля в этой бедной никелем области была в форме одного атома.

Эффективность электрокаталитической реакции восстановления углекислого газа катализатора при различных приложенных потенциалах оценивалась в реальном времени с помощью ГХ, подключенного к выхлопной трубе электрохимической ячейки. Фарадная эффективность окиси углерода и водорода была определена как примерно 93 процента и 12 процентов соответственно при минус ноль целых восемь десятых двух вольт по сравнению с RAG. После своего развития этот танин проложил путь исследователям в области электролиза к изучению этих одноатомных катализаторов переходных металлов в искусственном фотосинтезе, а также в других приложениях преобразования энергии.