Sentez ve elektrokimyasal CO₂ azaltılması için geçiş metalleri tek Atom katalizör performans karakterizasyonu

Bu prosedürün genel amacı, sulu çözeltilerde seçici karbondioksit indirgemesine yönelik grafen boşluklarında koordineli Geçiş Metal Tek Atomlarının elektrokimyasal uygulamasında hazırlıktır. Bu yöntem, elektro-katalitik CO2 azaltma alanındaki katalizörlerin hazırlanması ve ürün sızdırmazlık aktivitesinin belirlenmesi ile ilgili temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, tek atomların grafen boşluklarında hapsedilebilmesi ve geçiş metali neno-parçacıklarının grafen katmanları ile sıkıca çevrelenebilmesidir.

Prosedüre başlamak için, 20 mililitrelik bir sintilasyon şişesinde, sıfır nokta beş gram poliakrilonitril, sıfır nokta beş gram polivinilpirolidon, sıfır nokta beş gram Nikel (II) hekzahidrat ve sıfır nokta bir gram didiyandiamid ile 10 mililitre dimetilformamid birleştirin. Karışımı 80 santigrat dereceye ısıtın ve berrak ve yeşil olana kadar karıştırın. Ön imleç karışımının daha sonra oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

Ardından, geleneksel bir elektro eğirme aparatına toplama substratı olarak sekiz santimetreye sekiz santimetrelik bir sıfır noktası üç yedi milimetre kalınlığında karbon fiber kağıt parçası monte edin. Beş mililitrelik imleç karışımını beş mililitrelik bir şırıngaya çekin. Şırıngayı, eğirme ucu olarak 19 gauge, iki inçlik bir iğne ile donatın ve şırıngayı bir şırınga pompasına monte edin.

Aparatı, eğirme ve kollektör yüzeyi arasında 15 santimetrelik bir boşluk için yapılandırın. Bir güç kaynağının pozitif terminalini iğneye ve negatif terminalini toplama alt tabakasına bağlayın. Güç kaynağını, eğirme ucuna 15 kilovolt statik voltaj ve toplama alt tabakasına karşı eksi dört kilovolt verecek şekilde yapılandırın.

Şırınga pompasını bir noktada saatte iki mililitre çalıştırın ve elektro eğirmeye başlayın. Bitirdikten sonra gücü kapatın ve polimer elyaf kaplı alt tabakayı bir parça alüminyum folyoya aktarın. Bir kutu fırında, kaplanmış alt tabakayı bir nokta beş saat boyunca 300 santigrat dereceye ısıtın.

Substrattan bağımsız bir film olarak ayrılacak olan polimer liflerini oksitlemek için numuneyi 30 dakika bu sıcaklıkta tutun. Alt tabakayı ve ayrılmış oksitlenmiş polimer nano fiber filmi fırından çıkarın. Filmin havada oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

Daha sonra filmi yaklaşık sıfır noktası beş santimetreye iki santimetrelik parçalar halinde kesin ve parçaları bir kuvars teknede toplayın. Tekneyi ısıtma bölgesinin ortasındaki bir tüp fırına yerleştirin. Argonda yüzde beş hidrojen içeren bir gaz karışımı ile numuneyi fırın atmosferine üç kez türekin.

Ardından, gaz akışını 100SCCM'de ve fırın basıncını bir torkta tutun. Fırını önce on dakika boyunca 300 santigrat dereceye yükseltin. Ve sonra iki saat boyunca 750 santigrat dereceye.

Her ikisi de sabit sarma oranlarında. Numuneyi bir saat boyunca 750 santigrat derecede tutun. Ardından, ısıyı kapatın ve numunenin yüzde beş hidrojen ve argondan oluşan 100SCCM akışı altında fırında oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

Soğutulmuş numuneyi, paslanmaz çelik bir freze kavanozunda altı milimetrelik paslanmaz çelik bir freze bilyesi içinde kapatın. Nikel nitrojen grafen kabuk katalizörünü bir Nano toz olarak elde etmek için numuneyi 3.000 RPM'de 60 hertz'de beş dakika boyunca bilyalı değirmenleştirin. Ölçüm prosedürüne başlamak için, elektrolit olarak iki nokta beş gram potasyum bikarbonatı 250 mililitre ultra saf suda çözün.

İz metal iyonlarını uzaklaştırmak için elektrolit çözeltisini sıfır noktasında bir miliamper sıfır noktasında iki grafit çubuk arasında elektrolize edin. Ardından, temiz, elektrokimyasal olarak parlatılmış, bir santimetreye iki santimetre camsı bir karbon elektrotun arkasını, toluen içinde çözülmüş elektrokimyasal olarak inert bir hidrofobik balmumu ile kaplayın. Daha sonra, dört mililitrelik bir parıldama şişesine, beş miligram nikel nitrojen grafen kabuk katalizörü nano tozuna, bir mililitre etanole ve izopropil alkol içinde 100 mikrolitre yüzde beş iyodimer çözeltisine yerleştirin.

Homojen bir katalizör mürekkebi süspansiyonu elde etmek için karışımı 20 dakika boyunca sonikleştirin. Camsı karbon elektrotun yüzeyine 80 mikrolitre katalizör mürekkebi uygulayın. Katalizör kaplı elektrodu bir vakumlu desikatörde beş ila 10 dakika kurutun.

Ardından, gaz geçirmez bir H tipi elektrokimyasal hücreyi bir proton değişim zarı ile donatın. Çalışma elektrodunu içerecek hazneye bir nitrojen gazı hattı ekleyin. Katalizör kaplı çalışma elektrodunu ve doymuş bir kalomel referans elektrodunu hücrenin bir bölmesine ve diğerine bir platin folyo karşı elektrodu yerleştirin.

Her bölmeye yaklaşık 25 mililitre saflaştırılmış elektrolit çözeltisi ekleyin. Elektrolitleri çok kanallı bir potansiyostata bağlayın. Elektroliti doyurmak için nitrojen gazını elektrolitten 50SCCM'de 30 dakika boyunca kabarcıklandırın.

Ardından, Potansiyostat yazılımında döngüsel voltametriyi seçin. Deneyi, eksi 50 volt ila 10 volt arasında bir çalışma elektrot potansiyel aralığı ve otomatik akım aralığı ile saniyede 10 milivoltta SCE'ye karşı eksi sıfır noktası beş volttan eksi bir nokta sekiz volta kadar beş sürekli CV taraması için yapılandırın. Azot doymuş elektrolitte bir CV edinin.

Ardından gaz hattını karbondioksit olarak değiştirin ve elektrolitten 50SCCM'de 30 dakika boyunca karbondioksiti kabarcıklandırın. Ardından, 50SCCM'de hala karbondioksit köpürürken. Daha önce kullanılanla aynı parametreleri kullanarak başka bir CV edinin.

Ardından, Potentiostat yazılımında potansiyostatik elektrokimyasal empedans spektrolojisini seçin. Frekans aralığını sıfır noktasına, bir hertz ila 200 kilohertz'e ayarlayın. Açık devre potansiyelini başlangıç potansiyeli olarak kullanın.

Engellenen bir tarama gerçekleştirin ve çözeltiye dayanıklı değeri kaydedin. Bu bilgiyi kullanarak voltaj düşüşü için ölçülen potansiyelleri düzeltin. Daha önce açıklandığı gibi, elektrolit olarak saflaştırılmış sıfır noktası bir molar potasyum bikarbonat içinde nikel nitrojen grafen kabuk kaplı bir çalışma elektrotu ile H tipi bir elektrokimyasal hücreyi birleştirin.

Düşük moleküler ağırlıklı bileşikleri ayırmak için bir dizi sütunda beş angstrom moleküler elekten oluşan bir ayırma sistemi kullanmak için bir gaz kromatografı kurun. GC'yi bir termal iletkenlik detektörü ve bir metodizörlü bir alev iyonizasyon detektörü ile donatın. Egzozu, çalışma elektrodunu içeren elektrokimyasal hücre odasından, iç çapı bir inçin 16'da biri olan vinil boru kullanarak GC'nin numune döngüsüne yönlendirin.

Karşı elektrotlu hazneden bir gaz akış monitörü olarak bir şişe suya başka bir uzunlukta vinil boru geçirin. Elektrotları çok kanallı bir potansiyostata bağlayın ve elektroliti daha önce açıklandığı gibi karbondioksit gazı ile doyurun. Karbondioksit akış hızını tam olarak 50.0SCCM'de tutun.

Bir krono ve parametrik eğri bildirmek için Potentiostat yazılımını kullanın. Çalışma elektrodunu eksi sıfır noktasından üç volttan eksi bir nokta sıfır volta yükseltirken RAG'a karşı. Her adımda 15 dakika basılı tutun.

10 dakikalık sürekli elektrolizden sonraki her potansiyel adım için, 16 dakikalık bir çalışma süresi kullanarak gaz ürünlerinden GC ile numune alın. Sırasıyla TCD ve FID sinyallerinden egzozdaki hidrojen monoksit içeriğini belirleyin. Her ürün için kısmi akım yoğunluğunu ve faradaik verimliliği hesaplayın.

Nikel nano parçacıklarının, katalizörün karbon nano liflerinde eşit olarak dağıldığı bulundu. Nano parçacıklar, yaklaşık 10 nanometre kalınlığındaki grafen kabukları içinde kapsüllendi, bu da nikel nano parçacıkları ile sulu slater arasındaki doğrudan teması önledi ve böylece bir hidrojen evrim reaksiyonunu bastırdı. Atom probu tomografisindeki enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi haritalaması, nikel atomlarının nano parçacıkların etrafındaki grafen katmanlarına dahil edildiğini gösterdi.

Nikel atomları ayrıca nikel nano parçacıklarından daha uzak alanlarda karbon içinde dağıldı. Nikel tek atomlarının, küçük bir yüzdesi de nitrojen atomları ile koordineli olan grafen boşluklarında koordine edildiği bulundu. İstatistiksel analiz, bu nikel fakir alandaki nikelin çoğunun tek atom formunda olduğunu gösterdi.

Katalizörün çeşitli uygulanan potansiyellerde elektro-katalitik karbondioksit indirgeme reaksiyonu performansı, elektrokimyasal hücre egzozuna bağlı bir GC tarafından gerçek zamanlı olarak değerlendirildi. Karbon monoksit ve hidrojenin faradaik verimleri, RAG'a kıyasla eksi sıfır noktası sekiz iki voltta sırasıyla yaklaşık yüzde 93 ve yüzde 12 olarak belirlendi. Geliştirildikten sonra, bu tanen, elektroliz alanındaki araştırmacıların, yapay fotosentezde ve diğer enerji dönüşüm uygulamalarında bu geçiş metallerini tek atomlu katalizörleri keşfetmelerinin yolunu açtı.