이 작품은로 랜드 연구소의 하버드 대학에서로 랜드 휄 로우 프로그램에 의해 지원 되었다. 이 작품 수행한 일부 센터에서 대 한 나노 시스템 (CNS), 수상에서 국립 과학 재단에 의해 지원 되는 국가 나노기술 인프라 네트워크의 일원이 아니. ECS-0335765입니다. CNS는 하버드 대학교의 일부입니다.

1. Ni 단일 원자 촉매 (닌-GS)의 준비
<ol><li>전기 전조 솔루션의 준비<ol>
<li>20 mL 섬광 유리병, 분해의 polyacrylonitrile 0.5 g (Mw= 150000), polypyrrolidone의 0.5 g (Mw= 1300000), Ni (3)2·6H2의 0.5 g O, 그리고 dicyandiamide (DCDA) 10 ml에서의 0.1 g dimethylformamide (DMF).</li>
		<li>DMF 혼합 80 ° C에가 열 하 고 모든 고분자와 소금을 녹이 고 명확한 솔루션은 관찰 될 때까지 지속적인 감동으로 80 ° C에 혼합물을 유지.</li>
	</ol>
</li>
	<li>고분자 섬유를 생산 하는 전기<ol>
<li>기존의 전기 매개 변수 설정: 15 kV 정적 전기 전압, 공기의 15 cm의 간격 거리, 8 × 8 cm 탄소 섬유 종이 (CFP)-컬렉션 기판 4 kV 전기 전압.</li>
		<li>5 mL 주사기로 전조 솔루션의 5 mL을 추출, 1.2 mL의 유량에 주사기 펌프 시작 h−1, 그 후에 시작 된 전기. 참고: 높은 전압 전기 사용 됩니다. 비록 매우 낮은 전류 되 면 시스템을 통해 프로세스를 회전 하는 동안 절연된 나무 캐비닛은 좋습니다.</li>
		<li>전기 프로세스가 완료 되 면 CFP 기판 꺼내 주세요. 고분자 섬유 영화 CFP 표면 커버.</li>
	</ol>
</li>
	<li>탄소 나노튜브에 어 닐 링 폴리머 섬유<ol>
<li>준비로 폴리머 섬유 영화/c f P 상자 용광로에서 1.5 h에서 300 ° C에가 열 하 고 0.5 h는 고분자를 산화를 위한 온도 유지. 참고: 산화 과정 후 nanofibers (NFs)은 자체 독립 영화 인 탄소 종이에서 분리.</li>
		<li>가 위를 사용 하 여 그 nanofibers 작은 조각으로 잘라 (~ 0.5 c m × 2 c m) 석 영 보트에 그들을 놓습니다.</li>
		<li>석 영 보트 튜브로 놓고 가스 (5% H2 ar에서) 분위기를 형성 하는 내 deaerate. 100 sccm으로 가스 유량과 1 토르로 압력 유지.</li>
		<li>이내 10 분 300 ° C에 올 렸 고 2 h 750 ° C, 또 다른 1 시간에 대 한 유지 및 자연 냉각 이어서 어디에 올 렸 열.</li>
	</ol>
</li>
	<li>볼 밀으로 합성 닌 GS 촉매 촉매 및 characterizations nanopowders 5 분.</li>
</ol>2. 전기 CO2 감소 측정
<ol><li>셀 및 전극<ol>
<li>다음 측정 0.1 M KHCO3 전해질을 준비, 먼저 KHCO3 초순의 250 ml의 2.5 g 녹 다음 0.1에서 2 개의 흑연 막대 사이의 전기 분해에 의해 전해질을 정화 제거를 24 h에 대 한 mA 추적 양의 금속 이온입니다.</li>
		<li>신선한 (화학적) 광택된 유리 탄소 (1 cm × 2 c m), 고는 화학적 불활성, 소수 성 왁 스, 작업 전극 기판으로 가진 그것의 후부를 커버.</li>
		<li>4 mL 섬광 유리병을 받아, 에탄올의 1 mL와 유리병, 내 오노 솔루션 2-proponal (5%)의 100 µ L 닌 GS 촉매로 준비의 5 mg을 혼합 하 고 균질 촉매 잉크 정지를 20 분 동안 sonicate.</li>
		<li>피펫으로 80 µ L 2 cm2 유리 탄소 표면 (0.2 mg cm-2 대량 로드), 고 진공에 촉매 잉크의 건조는 촉매 사용 전에 desiccator 덮여 전극.</li>
		<li>백 금 포 일 및 포화 calomel 전극 (SCE)는 카운터 및 참조 전극으로 각각 사용 합니다.</li>
		<li>사용자 지정 된 기밀 H 형 유리 셀, 양성자 교환 멤브레인, 위의 3 전극 조립 뿐만 아니라 전기 테스트 실행에 대 한 구분을 사용 합니다.</li>
		<li>작업 전극 및 H-셀의 한 구획에 SCE 기준 전극과 Pt 호 일 전극 다른 챔버에 배치 합니다. 주사 ~ H-셀의 각 구획에 전해질의 25 mL.</li>
		<li>H-셀에 3 전극 잠재적인 제어를 위한 전기 화학 워크 스테이션에 연결 합니다.</li>
		<li>N2으로 30 분 (질량 유량 컨트롤러에 의해 모니터링) 50.0 sccm에 N2 와 전해질 거품-0.1 m M KHCO3포화.</li>
		<li>EC 연구소 소프트웨어에서 주기적 Voltammetry (CV) 기법을 선택, "10 V V-10", "E (잠재력) 범위" 설정 5 연속 이력서 검색을-0.5 V에서에서-1.8 V (SCE) 대 N2에서 50 mV/s의 스캔 속도로 수행 "나 범위 (현재)" "자동"으로-0.1 m M KHCO3포화.</li>
		<li>50 sccm CO2 가스 흐름을 변경, CO2로 30 분 대기-0.1 m M KHCO3 전해질 포화 및 다음 전기에 걸쳐 같은 공동2 흐름 유지.</li>
		<li>EC-실험실 소프트웨어에 CV 기법을 선택, "10 V V-10", "E (잠재력) 범위" 설정 5 연속 이력서 검색을-0.5 V에서에서-1.8 V (SCE) 대 공동250 mV/s의 스캔 속도로 수행 "나 범위 (현재)" "자동"으로-0.1 m M KHCO3포화.</li>
		<li>즉,전해질의 pH 값을 결정 하는 pH 미터를 사용 하 여., 0.1 m M KHCO3 N2 또는 CO2와 함께 포화.</li>
		<li>변환 모든 잠재력을 사용 하 여이 작업에 해독 가능한 수소 전극 (토크쇼) 규모를 SCE에 대 한 측정 전자 (vs RHE) = E (vs SCE) + 0.244 V + 0.0591 × pH.</li>
		<li>200 kHz를 0.1 Hz에서 Potentiostatic 전기 임피던스 분광학 (PEIS) 기술, 다음 설정된 주파수 범위를 선택 하 여 EC 연구소 소프트웨어에서 솔루션 저항 (Ru)를 결정 합니다, 그리고 저항 값을 기록 합니다.</li>
		<li>수동으로 iR보상-E로 드롭 (iR 수정 vs RHE) = E (vs 토크쇼)-Ru × 나 (평균 전류 암페어).</li>
	</ol>
</li>
	<li>온라인 가스 크로마 토 그래프 (GC)에 의해 CO2 감소 제품 분석<ol>
<li>GC, CO2RR 중 가스 제품 분석을 위한 분자 체 5A 및 micropacked 열의 조합으로 장비를 사용 합니다. 참고: 자세한 GC 열 형식은 연결 된 테이블의 자료에서 찾을 수 있습니다.</li>
		<li>Methanizer 정량 분석 공동 콘텐츠 또는 다른 알칸 종 계량 H2 농도, 열 전도성 검출기 (TCD) 불꽃 이온화 검출기 (FID) 사용 합니다.</li>
		<li>H2 와 CO 농도의 보정 곡선에 대 한 두 개의 다른 표준 가스를 사용 하 여 (H2: 100, 1042 ppm; CO: 100와 496.7 ppm; 균형 아르곤).</li>
		<li>CO2를 포함 하는 음극 구획에 CO2 를 제공 하는 전기 분해, 동안 50.0 sccm에서 CO2 가스 유량을 유지-포화 0.1 M KHCO3 전해질, 및 환기 GC에 배기.</li>
		<li>단계적 조정-0.3에서-1.0 V 토크쇼, 대에 이르기까지 작업 전극에 전압 유지 ~ 각 잠재력과 레코드 해당 chronoamperimetric 곡선에 대 일 분.</li>
		<li>H2 와 FID 및 TCD 신호에서 배기 가스에 CO 내용을 각각 결정 합니다. 참고: 가스 제품의 지속적인 전기 분해 후 샘플링 됩니다 ~ 각 잠재력에서 10 분. 50 sccm의 CO2 가스와 함께 지속적으로 혼합 생산 H2 와 공동, 전기 분해 동안 GC의 샘플링 루프 (1 mL)을 통해 흘 렀 다.</li>
		<li>아래 주어진된 가스 제품에 대 한 부분 전류 밀도 계산. <img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq2.jpg"> x나 보정 곡선 참조 온라인 GC에 의해 결정 하는 특정 제품의 볼륨 분수는 2 개의 표준 가스 샘플에서 (스 캇과 Airgas), v 50 sccm의 유량, n나 수 전자의 참여, p0 = 101.3 kPa, F Faradaic 상수 이며 R 은 기체 상수 이다.</li>
		<li>해당 Faradaic 효율성 (FE)로 각 잠재력에서 계산 <img alt="Equation" src="/files/ftp_upload/57380/57380eq7.jpg"> </img>. 참고: 전체 Faradaic 효율성 가스 유량, 전류 밀도, 그리고 GC에 가스 농도 분석에서 오류로 인해 90 ~ 110%의 범위 내에서 될 수 있습니다.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Lewis, N. S., Nocera, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Powering+the+planet:+Chemical+challenges+in+solar+energy+utilization.">Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization.</a> P. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 15729-15735 (2006).</li><li>Appel, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frontiers,+Opportunities,+and+Challenges+in+Biochemical+and+Chemical+Catalysis+of+CO2+Fixation.">Frontiers, Opportunities, and Challenges in Biochemical and Chemical Catalysis of CO2 Fixation.</a> Chem. Rev. 113, 6621-6658 (2013).</li><li>Jhong, H. R., Ma, S. C., Kenis, P. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+conversion+of+CO2+to+useful+chemicals:+current+status,+remaining+challenges,+and+future+opportunities.">Electrochemical conversion of CO2 to useful chemicals: current status, remaining challenges, and future opportunities.</a> Curr. Opin. Chem. Eng. 2, 191-199 (2013).</li><li>Ashford, D. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+Chromophore-Catalyst+Assemblies+for+Solar+Fuel+Applications.">Molecular Chromophore-Catalyst Assemblies for Solar Fuel Applications.</a> Chem. Rev. 115, 13006-13049 (2015).</li><li>Nocera, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solar+Fuels+and+Solar+Chemicals+Industry.">Solar Fuels and Solar Chemicals Industry.</a> Accounts. Chem. Res. 50, 616-619 (2017).</li><li>Larrazabal, G. O., Martin, A. J., Perez-Ramirez, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Building+Blocks+for+High+Performance+in+Electrocatalytic+CO2+Reduction:+Materials,+Optimization+Strategies,+and+Device+Engineering.">Building Blocks for High Performance in Electrocatalytic CO2 Reduction: Materials, Optimization Strategies, and Device Engineering.</a> J. Phys. Chem. Lett. 8, 3933-3944 (2017).</li><li>Hori, Y., Wakebe, H., Tsukamoto, T., Koga, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrocatalytic+Process+of+Co+Selectivity+in+Electrochemical+Reduction+of+Co2+at+Metal-Electrodes+in+Aqueous-Media.">Electrocatalytic Process of Co Selectivity in Electrochemical Reduction of Co2 at Metal-Electrodes in Aqueous-Media.</a> Electrochim. Acta. 39, 1833-1839 (1994).</li><li>Hori, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Modern aspects of electrochemistry. , 89-189 (2008).</li><li>Lin, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Covalent+organic+frameworks+comprising+cobalt+porphyrins+for+catalytic+CO2+reduction+in+water.">Covalent organic frameworks comprising cobalt porphyrins for catalytic CO2 reduction in water.</a> Science. 349, 1208-1213 (2015).</li><li>Zhang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+selective+and+active+CO2+reduction+electrocatalysts+based+on+cobalt+phthalocyanine/carbon+nanotube+hybrid+structures.">Highly selective and active CO2 reduction electrocatalysts based on cobalt phthalocyanine/carbon nanotube hybrid structures.</a> Nat. Commun. 8, 14675 (2017).</li><li>Zhao, C. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ionic+Exchange+of+Metal+Organic+Frameworks+to+Access+Single+Nickel+Sites+for+Efficient+Electroreduction+of+CO2.">Ionic Exchange of Metal Organic Frameworks to Access Single Nickel Sites for Efficient Electroreduction of CO2.</a> J. Am. Chem. Soc. 139, 8078-8081 (2017).</li><li>Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Aivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+Electrochemical+Methanation+of+Carbon+Dioxide+with+a+Dispersible+Nanoscale+Copper+Catalyst.">Enhanced Electrochemical Methanation of Carbon Dioxide with a Dispersible Nanoscale Copper Catalyst.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 13319-13325 (2014).</li><li>Yang, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Catalytically+active+Au-O(OH)(x)-species+stabilized+by+alkali+ions+on+zeolites+and+mesoporous+oxides.">Catalytically active Au-O(OH)(x)-species stabilized by alkali ions on zeolites and mesoporous oxides.</a> Science. 346, 1498-1501 (2014).</li><li>Manthiram, K., Surendranath, Y., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dendritic+Assembly+of+Gold+Nanoparticles+during+Fuel-Forming+Electrocatalysis.">Dendritic Assembly of Gold Nanoparticles during Fuel-Forming Electrocatalysis.</a> J. Am. Chem. Soc. 136, 7237-7240 (2014).</li><li>Amini, S., Garay, J., Liu, G., Balandin, A. A., Abbaschian, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+of+large-area+graphene+films+from+metal-carbon+melts.">Growth of large-area graphene films from metal-carbon melts.</a> J. Appl. Phys. 108, 094321 (2010).</li><li>Krasheninnikov, A. V., Lehtinen, P. O., Foster, A. S., Pyykk&#246;, P., Nieminen, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Embedding+Transition-Metal+Atoms+in+Graphene:+Structure,+Bonding,+and+Magnetism.">Embedding Transition-Metal Atoms in Graphene: Structure, Bonding, and Magnetism.</a> Phys. Rev. Lett. 102, 126807 (2009).</li><li>Jiang, K., Siahrostami, S., Zheng, T., Hu, Y., Hwang, S., Stavitski, E., Peng, Y., Dynes, J., Gangishetty, M., Su, D., Attenkofer, K., Wang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolated+Ni+Single+Atoms+in+Graphene+Nanosheets+for+High-performance+CO2+Reduction.">Isolated Ni Single Atoms in Graphene Nanosheets for High-performance CO2 Reduction.</a> Energy Environ. Sci. , (2018).</li><li>Rodr&#237;guez-Manzo, J. A., Cretu, O., Banhart, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+of+Metal+Atoms+in+Vacancies+of+Carbon+Nanotubes+and+Graphene.">Trapping of Metal Atoms in Vacancies of Carbon Nanotubes and Graphene.</a> ACS Nano. 4, 3422-3428 (2010).</li><li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transition+metal+atoms+in+a+graphene+shell+as+active+centers+for+highly+efficient+artificial+photosynthesis.">Transition metal atoms in a graphene shell as active centers for highly efficient artificial photosynthesis.</a> Chem. 3, 950-960 (2017).</li><li>Jiang, K., Wang, H., Cai, W. B., Wang, H. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Li+Electrochemical+Tuning+of+Metal+Oxide+for+Highly+Selective+CO2+Reduction.">Li Electrochemical Tuning of Metal Oxide for Highly Selective CO2 Reduction.</a> ACS Nano. 11, 6451-6458 (2017).</li><li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silver+Nanoparticles+with+Surface-Bonded+Oxygen+for+Highly+Selective+CO2+Reduction.">Silver Nanoparticles with Surface-Bonded Oxygen for Highly Selective CO2 Reduction.</a> ACS Sustain Chem. Eng. 5, 8529-8534 (2017).</li><li>Siahrostami, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Theoretical+Investigations+into+Defected+Graphene+for+Electrochemical+Reduction+of+CO2.">Theoretical Investigations into Defected Graphene for Electrochemical Reduction of CO2.</a> ACS Sustain Chem. Eng. 5, 11080-11085 (2017).</li><li>Jiang, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+Ion+Cycling+of+Cu+Foil+for+Selective+C-C+Coupling+in+Electrochemical+CO2+Reduction.">Metal Ion Cycling of Cu Foil for Selective C-C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction.</a> Nat. Catal. , (2017).</li></ol>

위의 전기 과정에서 두 가지 중요 한 단계 소재 합성 절차에 주목 한다: 1) 난방 DMF 혼합 (1.1.2 단계), 및 회전 속도 맞게 2) 펌프 속도 조정 (1.2.2 단계). 그림 1A 에서 SEM 화면은 서로 상호 얻은 탄소 nanofibers (~ 200 nm 직경에서). 그들은 작은 조각으로 characterizations 그림 1B와 같이 대 한 밀링 공에 의해 깨진 했다. Ni 나노 탄소 nanofibers에 균일 하 게 분산 되었습...

화학 물질이 나 깨끗 한 전기를 사용 하 여 연료로 변환 CO2 CO2 배출량1,2,3,4,를 더 방지 하기 위하여 잠재적인 노선으로 점점 더 중요 해지고 있다 5,6. 그러나,이 실용적인 응용 프로그램은 현재 도전 저조 및 CO2 감소 반응 (CO2RR) 높은 운동 장벽과 경쟁 때문에 수성 수소 진화 반응 (그녀의)의 선택 미디어입니다. 전통적인 전이 금속 촉매 Fe, Co, Ni, 등의 대부분 때문에 그들의 뛰어난 활동 그녀의7,8낮은 CO2RR 선택도 전시 한다. 이러한 전이 금속 촉매의 반응 경로 변경 하려면 그들의 물성을 효과적으로 조정 된다 그들의 CO2RR 선택도 향상 시키기 위해 중요 한. 촉매의 전자 속성을 수정 하려면 다른 방법 중에서 그들의 대량 대응에 비해 그들의 극적으로 변경 된 촉매 행동 때문에 최근 집중적인 관심을 끈다 단일 원자 형태에 금속 원자를 분산 9 , 10 , 그러나 11., 무제한 원자의 높은 기동성으로 인해 그것은 매우 지지 물질의 존재 없이 단일 금속 원자를 도전. 따라서, 호스트 매트릭스 소재 제한 및 전이 금속 원자와 조정 하기 위해 만든 결함은 필요입니다. 이 새로운 기회를 열 수: 1) CO2RR 액티브 사이트, 및 2로 전환 금속의 전자 속성 조정) 동시에 비교적 간단한 원자 조정 기본적인 메커니즘 연구에 대 한 유지. 또한, 한정 된 환경에 갇혀 그 전이 금속 원자 수 없습니다 쉽게 이동 촉매 nucleation 또는 많은 경우12,13 에서에서 관찰 된 표면 원자의 개조를 방지 하는 동안 14.
CO2 감소와 그녀의 촉매 반응에 그들의 높은 전자 전도도, 화학적 안정성, 및 inertness 금속 단일 원자에 대 한 호스트 특정 관심의 2 차원 다층된 그래 핀이입니다. 더 중요 한 것은, Fe, Co와 Ni 금속15그들의 표면 탄소 graphitization 프로세스를 catalyze 수 알려져 있었다. 즉, 그 전환 금속 높은 온도 열 어 닐 링 과정 중 탄소와 합금 것 이다. 때 온도, 탄소 합금 위상 침전을 시작 하 고 양식 그래 레이어에 전이 금속 표면에 촉매. 이 과정 동안, 그래 핀 결함 생성, 금속 단일 원자 것 갇혀 있을 그 그래 핀 결함에 CO2RR16,17,,1819에 대 한 활성 사이트. 여기, 우리는 제공 온라인 공동의 명시적 데모2 감소 제품 분석 단일 원자 촉매 분야에 새로운 실무자 수 있도록 하려는이 상세한 프로토콜을 보고 합니다. 자세한 내용은 우리의 최근에 출판 된 제19 와 관련된 작품20,21,,2223의 시리즈에서 찾을 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>syringe pump&amp;nbsp;</td><td>KD Scientific</td><td>KDS-100</td><td></td></tr><tr><td>tube furnance</td><td>Lindberg/Blue M</td><td>TF55035A-1</td><td></td></tr><tr><td>ball miller</td><td>SPEX SamplePrep</td><td>5100</td><td></td></tr><tr><td>electrochemical work station</td><td>BioLogic</td><td>VMP3</td><td></td></tr><tr><td>pH meter</td><td>Orion</td><td>320 PerpHecT&amp;nbsp;</td><td>2 points calibration before use</td></tr><tr><td>gas chromatograph</td><td>Shimadzu</td><td>GC-2014</td><td>a combined seperation system consisting of molecular sieve 5A, Hayesep Q, Hayesep T, and Hayesep N</td></tr><tr><td>mass flow controller</td><td>Alicat Scientific&amp;nbsp;</td><td>MC-50SCCM-D/5M</td><td></td></tr><tr><td>ultrapure water system</td><td>Millipore</td><td>Synergy</td><td></td></tr><tr><td>vacuum desiccator&amp;nbsp;</td><td>PolyLab</td><td>55205</td><td></td></tr><tr><td>polyacrylonitrile</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>181315</td><td>M&lt;sub&gt;w&lt;/sub&gt;=150,000</td></tr><tr><td>polypyrrolidone</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>437190</td><td>M&lt;sub&gt;w&lt;/sub&gt;=1,300,000</td></tr><tr><td>Ni(NO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;6H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244074</td><td></td></tr><tr><td>dicyandiamide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D76609</td><td></td></tr><tr><td>dimethylformamide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>227056</td><td></td></tr><tr><td>carbon fiber paper&amp;nbsp;</td><td>AvCarb</td><td>MGL370</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 membrane</td><td>Fuel Cell Store</td><td>117</td><td>used as proton exchange membrane in H-cell</td></tr><tr><td>KHCO&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>431583</td><td>further purified by electrolysis</td></tr><tr><td>platinum foil&amp;nbsp;</td><td>Beantown Chemical</td><td>126580</td><td></td></tr><tr><td>saturated calomel electrode</td><td>CH Instruments</td><td>CHI150</td><td></td></tr><tr><td>glassy carbon electrode</td><td>HTW GmbH</td><td>SIGRADUR</td><td>1 cm &amp;times; 2 cm</td></tr><tr><td>wax</td><td>Apiezon</td><td>W-W100</td><td></td></tr><tr><td>Nafion 117 solution</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>70160</td><td>used as ionomer in catalyst ink preparation&amp;nbsp;</td></tr><tr><td>forming gas</td><td>Airgas</td><td>UHP</td><td>5% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; balanced with Ar</td></tr><tr><td>carbon dioxide</td><td>Airgas</td><td>LaserPlus</td><td></td></tr><tr><td>sandard gas</td><td>Airgas</td><td>customized</td><td>500 ppm CO, 500 ppm CH&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;, 1000 ppm H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; balanced with Ar</td></tr><tr><td>sandard gas</td><td>Air Liquide</td><td>customized</td><td>100 ppm H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;, 100 ppm CO and other alkanes balanced with Ar</td></tr></tbody></table>

synthesis and performance characterizations of transition metal single atom catalyst for electrochemical co2 reduction

이 프로토콜 모두 Ni 단일 원자 촉매의 합성 방법 및 그것의 촉매 활동 그리고 수성 CO2 감소 선택도의 전기 테스트를 제공 합니다. 다른 전통적인 금속 나노, 금속 단일 원자의 합성 그 단일 원자를 제한 하 고 집계에서 그들을 막을 수 있는 매트릭스 자료를 포함 한다. 우리는 전기 및 열 어 닐 링 Ni 단일 원자 분산 및 CO에 CO2 감소를 위한 활성 중심으로 그래 핀 셀, 조정 준비 하는 방법 보고. 합성을 하는 동안 N dopants Ni 원자를 트랩 하 그래 공석을 생성에 중요 한 역할을 재생 합니다. 수 차 수정 스캐닝 전송 전자 현미경, 3 차원 원자 조사 단층 그래 핀 공석에서 단일 Ni 원자 사이트 식별 채택 되었다. 전기 화학 공동2 감소 장치는 온라인 가스 착 색 인쇄기와 결합의 자세한 설정도 시연 했다. 금속 Ni에 비해 Ni 단일 원자 촉매 극적으로 향상 된 CO2 감소를 전시 하 고 H2 진화 측 반응 억제.

스캐닝 전자 현미경 (SEM), 스캐닝 전송 전자 현미경 (줄기) 및 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX) 매핑 이미지 닌-GS의 형태학 특성에 대 한 그림 1 에 나와 있습니다. 3 차원 원자 조사 단층 촬영 (3D-아파트) 결과 그들의 이웃 화학 환경 뿐 아니라 단일 Ni 사이트 배포의 직접 식별에 대 한 그림 2 에 표시 됩니다. 온라인 전기 GC 측?...

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Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

합성 및 전기 화학적 CO2 감소를 위한 전이 금속 단일 원자 촉매의 성능 Characterizations

여기, 우리 합성에 대 한 프로토콜을 제시 하 고 수성 해결책에서 일산화 탄소를 선택적 이산화탄소 감소를 위한 활성 중심으로 그래 공석에 조정 전이 금속 단일 원자의 전기 테스트.

This protocol presents both the synthesis method of the Ni single atom catalyst, and the electrochemical testing of its catalytic activity and selectivity ...

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Research

JoVE Journal

Chemistry

Synthesis and Performance Characterizations of Transition Metal Single Atom Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

18.0K 조회수.  Harvard University. 여기, 우리 합성에 대 한 프로토콜을 제시 하 고 수성 해결책에서 일산화 탄소를 선택적 이산화탄소 감소를 위한 활성 중심으로 그래 공석에 조정 전이 금속 단일 원자의 전기 테스트.

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Reverse Microemulsion-mediated Synthesis of Monometallic and Bimetallic Early Transition Metal Carbide and Nitride Nanoparticles

A reverse microemulsion is used to encapsulate monometallic or bimetallic early transition metal oxide nanoparticles in microporous silica shells. The silica-encapsulated metal oxide nanoparticles are then carburized in a methane/hydrogen atmosphere at temperatures over 800 &#176;C to form silica-encapsulated early transition metal carbide nanoparticles. During the carburization process, the silica shells prevent the sintering of adjacent carbide nanoparticles while also preventing the deposition of excess surface carbon. Alternatively, the silica-encapsulated metal oxide nanoparticles can be nitridized in an ammonia atmosphere at temperatures over 800 &#176;C to form silica-encapsulated early transition metal nitride nanoparticles. By adjusting the reverse microemulsion parameters, the thickness of the silica shells, and the carburization/nitridation conditions, the transition metal carbide or nitride nanoparticles can be tuned to various sizes, compositions, and crystal phases. After carburization or nitridation, the silica shells are then removed using either a room-temperature aqueous ammonium bifluoride solution or a 0.1 to 0.5 M NaOH solution at 40-60 &#176;C. While the silica shells are dissolving, a high surface area support, such as carbon black, can be added to these solutions to obtain supported early transition metal carbide or nitride nanoparticles. If no high surface area support is added, then the nanoparticles can be stored as a nanodispersion or centrifuged to obtain a nanopowder.

A &#8220;removable ceramic coating method&#8221; is presented in visual format for the synthesis of non-sintered and metal-terminated monometallic and bimetallic early transition metal carbide and nitride nanoparticles with tunable sizes and crystal structures.

단본위제 및 바이메탈 조기 전이 금속 탄화물 및 질화물 나노 입자의 역 마이크로 에멀젼 매개 합성

A reverse microemulsion is used to encapsulate monometallic or bimetallic early transition metal oxide nanoparticles in microporous silica shells. The ...

연구

화학

On the Preparation and Testing of Fuel Cell Catalysts Using the Thin Film Rotating Disk Electrode Method

We present a step-by-step tutorial to prepare proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) catalysts, consisting of Pt nanoparticles (NPs) supported on a high surface area carbon, and to test their performance in thin film rotating disk electrode (TF-RDE) measurements. The TF-RDE methodology is widely used for catalyst screening; nevertheless, the measured performance sometimes considerably differs among research groups. These uncertainties impede the advancement of new catalyst materials and, consequently, several authors discussed possible best practice methods and the importance of benchmarking.
The visual tutorial highlights possible pitfalls in the TF-RDE testing of Pt/C catalysts. A synthesis and testing protocol to assess standard Pt/C catalysts is introduced that can be used together with polycrystalline Pt disks as benchmark catalysts. In particular, this study highlights how the properties of the catalyst film on the glassy carbon (GC) electrode influence the measured performance in TF-RDE testing. To obtain thin, homogeneous catalyst films, not only the catalyst preparation, but also the ink deposition and drying procedures are essential. It is demonstrated that an adjustment of the ink&#39;s pH might be necessary, and how simple control measurements can be used to check film quality. Once reproducible TF-RDE measurements are obtained, determining the Pt loading on the catalyst support (expressed as Pt wt%) and the electrochemical surface area is necessary to normalize the determined reaction rates to either surface area or Pt mass. For the surface area determination, so-called CO stripping, or the determination of the hydrogen underpotential deposition (Hupd) charge, are standard. For the determination of the Pt loading, a straightforward and cheap procedure using digestion in aqua regia with subsequent conversion of Pt(IV) to Pt(II) and UV-vis measurements is introduced.

Preparing and testing Pt/C fuel cell catalysts is subject to continuous discussion in the scientific community with respect to reproducibility and best practice. With the presented work, we intend to present a step-by-step tutorial to make and test Pt/C catalysts, which can serve as benchmark for novel catalyst systems.

준비 및 연료 전지 촉매 박막 자전 디스크 전극 메서드를 사용 하 여 테스트

We present a step-by-step tutorial to prepare proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) catalysts, consisting of Pt nanoparticles (NPs) supported on a ...

환경과학

Simple Methods for the Preparation of Non-noble Metal Bulk-electrodes for Electrocatalytic Applications

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and composition of the material was characterized via powder X-ray diffraction (PXRD), M&#246;ssbauer spectroscopy (MB), scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Two preparation methods of pentlandite bulk electrodes are presented. In the first approach a piece of synthetic pentlandite rock is directly contacted via a wire ferrule. The second approach utilizes pentlandite pellets, pressed from finely ground powder, which is immobilized in a Teflon casing. Both electrodes, whilst being prepared by an additive-free method, reveal high durability during electrocatalytic conversions in comparison to common drop-coating methods. We herein showcase the striking performance of such electrodes to accomplish the hydrogen evolution reaction (HER) and present a standardized method to evaluate the electrocatalytic performance by electrochemical and gas chromatographic methods. Furthermore, we report stability tests via potentiostatic methods at an overpotential of 0.6 V to explore the material limitations of the electrodes during electrolysis under industrial relevant conditions.

A facile preparation method of electrodes using the bulk material Fe4.5Ni4.5S8 is presented. This method provides an alternative technique to conventional electrode fabrication and describes prerequisites for unconventional electrode materials including a straightforward electrocatalytic testing method.

전기 촉매 응용을위한 비 귀금속 벌크 전극 준비를위한 간단한 방법

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and ...

Synthesis of Platinum-nickel Nanowires and Optimization for Oxygen Reduction Performance

Platinum-nickel (Pt-Ni) nanowires were developed as fuel cell electrocatalysts, and were optimized for the performance and durability in the oxygen reduction reaction. Spontaneous galvanic displacement was used to deposit Pt layers onto Ni nanowire substrates. The synthesis approach produced catalysts with high specific activities and high Pt surface areas. Hydrogen annealing improved Pt and Ni mixing and specific activity. Acid leaching was used to preferentially remove Ni near the nanowire surface, and oxygen annealing was used to stabilize near-surface Ni, improving durability and minimizing Ni dissolution. These protocols detail the optimization of each post-synthesis processing step, including hydrogen annealing to 250 &#176;C, exposure to 0.1 M nitric acid, and oxygen annealing to 175 &#176;C. Through these steps, Pt-Ni nanowires produced increased activities more than an order of magnitude than Pt nanoparticles, while offering significant durability improvements. The presented protocols are based on Pt-Ni systems in the development of fuel cell catalysts. These techniques have also been used for a variety of metal combinations, and can be applied to develop catalysts for a number of electrochemical processes.

&#160; The protocol describes the synthesis and electrochemical testing of platinum-nickel nanowires. Nanowires were synthesized by the galvanic displacement of a nickel nanowire template. Post-synthesis processing, including hydrogen annealing, acid leaching, and oxygen annealing were used to optimize nanowire performance and durability in the oxygen reduction reaction.

백 금-니켈 나노 와이어 및 산소 감소 성능 최적화의 합성

Platinum-nickel (Pt-Ni) nanowires were developed as fuel cell electrocatalysts, and were optimized for the performance and durability in the oxygen ...

Chemical Precipitation Method for the Synthesis of Nb2O5 Modified Bulk Nickel Catalysts with High Specific Surface Area

We demonstrate a method for the synthesis of NixNb1-xO catalysts with sponge-like and fold-like nanostructures. By varying the Nb:Ni ratio, a series of NixNb1-xO nanoparticles with different atomic compositions (x = 0.03, 0.08, 0.15, and 0.20) have been prepared by chemical precipitation. These NixNb1-xO catalysts are characterized by X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and scanning electron microscopy. The study revealed the sponge-like and fold-like appearance of Ni0.97Nb0.03O and Ni0.92Nb0.08O on the NiO surface, and the larger surface area of these NixNb1-xO catalysts, compared with the bulk NiO. Maximum surface area of 173 m2/g can be obtained for Ni0.92Nb0.08O catalysts. In addition, the catalytic hydroconversion of lignin-derived compounds using the synthesized Ni0.92Nb0.08O catalysts have been investigated.

Chemical Precipitation Method for the Synthesis of Nb2O5 Modified Bulk Nickel Catalysts with High Specific Surface Area

A protocol for the synthesis of sponge-like and fold-like Ni1-xNbxO nanoparticles by chemical precipitation is presented.

Nb2O5 의 합성을 위한 화학 강 수 방법을 수정할 높은 특정 표면 영역으로 대량 니켈 촉매

We demonstrate a method for the synthesis of NixNb1-xO catalysts with sponge-like and fold-like nanostructures. By varying the Nb:Ni ratio, a series of ...

Preparation of Polyoxometalate-based Photo-responsive Membranes for the Photo-activation of Manganese Oxide Catalysts

This paper presents a method to prepare charge-transfer chromophores using polyoxotungstate (PW12O403-), transition metal ions (Ce3+ or Co2+), and organic polymers, with the aim of photo-activating oxygen-evolving manganese oxide catalysts, which are important components in artificial photosynthesis. The cross-linking technique was applied to obtain a self-standing membrane with a high PW12O403- content. Incorporation and structure retention of PW12O403- within the polymer matrix were confirmed by FT-IR and micro-Raman spectroscopy, and optical characteristics were investigated by UV-Vis spectroscopy, which revealed successful construction of the metal-to-metal charge transfer (MMCT) unit. After deposition of MnOx oxygen evolving catalysts, photocurrent measurements under visible light irradiation verified the sequential charge transfer, Mn &#8594; MMCT unit &#8594; electrode, and&#160;the photocurrent intensity was consistent with the redox potential of the donor metal (Ce or Co). This method provides a new strategy for preparing integrated systems involving catalysts and photon-absorption parts for use with photo-functional materials.

Here, we present a protocol to prepare charge transfer chromophores based on a polyoxometalate/polymer composite membrane.

사진-망간 산화물 촉매의 활성화에 대 한 Polyoxometalate 기반 사진 반응 막의 준비

This paper presents a method to prepare charge-transfer chromophores using polyoxotungstate (PW12O403-), transition metal ions (Ce3+ or Co2+), and organic ...

CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

We demonstrate a method for the enhancement of CO2 photoreduction. As the driving force of a photocatalytic reaction is from solar light, the basic idea is to use concentration technology to raise the incident solar light intensity. Concentrating a large-area light onto a small area cannot only increase light intensity, but also reduce the catalyst amount, as well as the reactor volume, and increase the surface temperature. The concentration of light can be realized by different devices. In this manuscript, it is realized by a Fresnel lens. The light penetrates the lens and is concentrated on a disc-shaped catalyst. The results show that both the reaction rate and the total yield are efficiently increased. The method can be applied to most CO2 photoreduction catalysts, as well as to similar reactions with a low reaction rate at natural light.

CO2 Photoreduction to CH4 Performance Under Concentrating Solar Light

We present a protocol for improving the performance of CO2 photoreduction to CH4 by heightening the incident light intensity via concentrating solar energy technology.

태양광 집중 하에서 CH4 성능에 대한 CO2 광감소

We demonstrate a method for the enhancement of CO2 photoreduction. As the driving force of a photocatalytic reaction is from solar light, the basic idea ...

공학

Multiscale Sampling of a Heterogeneous Water/Metal Catalyst Interface using Density Functional Theory and Force-Field Molecular Dynamics

A significant number of heterogeneously-catalyzed chemical processes occur under liquid conditions, but simulating catalyst function under such conditions is challenging when it is necessary to include the solvent molecules. The bond breaking and forming processes modeled in these systems necessitate the use of quantum chemical methods. Since molecules in the liquid phase are under constant thermal motion, simulations must also include configurational sampling. This means that multiple configurations of liquid molecules must be simulated for each catalytic species of interest. The goal of the protocol presented here is to generate and sample trajectories of configurations of liquid water molecules around catalytic species on flat transition metal surfaces in a way that balances chemical accuracy with computational expense. Specifically, force field molecular dynamics (FFMD) simulations are used to generate configurations of liquid molecules that can subsequently be used in quantum mechanics-based methods such as density functional theory or ab initio molecular dynamics. To illustrate this, in this manuscript, the protocol is used for catalytic intermediates that could be involved in the pathway for the decomposition of glycerol (C3H8O3). The structures that are generated using FFMD are modeled in DFT in order to estimate the enthalpies of solvation of the catalytic species and to identify how H2O molecules participate in catalytic decompositions.

The goal of the protocol presented here is to generate and sample trajectories of configurations of liquid water molecules around catalytic species on a flat transition metal surface. The sampled configurations can be used as starting structures in quantum mechanics-based methods.

조밀도 기능적인 이론 및 분자 역학 포스 필드를 사용 하 여 이기종 물/금속 촉매 인터페이스의 multiscale 샘플링

A significant number of heterogeneously-catalyzed chemical processes occur under liquid conditions, but simulating catalyst function under such conditions ...

Tuning the Acidity of Pt/ CNTs Catalysts for Hydrodeoxygenation of Diphenyl Ether

We herein present a method for the synthesis of HNbWO6, HNbMoO6, HTaWO6 solid acid nanosheet modified Pt/CNTs. By varying the weight of various solid acid nanosheets, a series of Pt/xHMNO6/CNTs with different solid acid compositions (x = 5, 20 wt%; M = Nb, Ta; N = Mo, W) have been prepared by carbon nanotube pretreatment, protonic exchange, solid acid exfoliation, aggregation and finally Pt particles impregnation. The Pt/xHMNO6/CNTs are characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and NH3-temperature programmed desorption. The study revealed that HNbWO6 nanosheets were attached on CNTs, with some edges of the nanosheets being bent in shape. The acid strength of the supported Pt catalysts increases in the following order: Pt/CNTs &#60; Pt/5HNbWO6/CNTs &#60; Pt/20HNbMoO6/CNTs &#60; Pt/20HNbWO6/CNTs &#60; Pt/20HTaWO6/CNTs. In addition, the catalytic hydroconversion of lignin-derived model compound: diphenyl ether using the synthesized Pt/20HNbWO6 catalyst has been investigated.

A protocol for the synthesis of HNbWO6, HNbMoO6, HTaWO6 solid acid nanosheet modified Pt/CNTs is presented.

디페닐 에테르의 수산화를 위한 Pt/CNTs 촉매의 산도 튜닝

We herein present a method for the synthesis of HNbWO6, HNbMoO6, HTaWO6 solid acid nanosheet modified Pt/CNTs. By varying the weight of various solid acid ...

Synthesis of Metal Nanoparticles Supported on Carbon Nanotube with Doped Co and N Atoms and its Catalytic Applications in Hydrogen Production

A method for facile synthesis of nanostructured catalysts supported on carbon nanotubes with atomically dispersed cobalt and nitrogen dopant is presented herein. The novel strategy is based on a facile one-pot pyrolysis treatment of cobalt (II) acetylacetonate and nitrogen-rich organic precursors under Ar atmosphere at 800 &#176;C, resulting in the formation of Co- and N- co-doped carbon nanotube with earthworm-like morphology. The obtained catalyst was found to have a high density of defect sites, as confirmed by Raman spectroscopy. Here, cobalt (II) nanoparticles were stabilized on the atomically dispersed cobalt- and nitrogen-doped carbon nanotubes. The catalyst was confirmed to be effective in the catalytic hydrolysis of ammonia borane, in which the turnover frequency was 5.87 mol H2&#183;molCo-1&#183;min-1, and the specific hydrogen generation rate was determined to be 2447 mL H2&#183;gCo-1&#183;min-1. A synergistic function between the Co nanoparticle and the doped carbon nanotubes was proposed for the first time in the catalytic hydrolysis of ammonia borane reaction under a mild condition. The resulting hydrogen production with its high energy density and minimal refueling time could be suitable for future development as energy sources for mobile and stationary applications such as road trucks and forklifts in transport and logistics.

Here, we present a protocol to synthesize Co nanoparticles supported on carbon nanotubes with Co- and N- dopants for hydrogen productions.

도핑 된 Co 및 N 원자를 갖는 탄소 나노 튜브에지지 된 금속 나노 입자의 합성 및 수소 생산에서의 촉매 응용

A method for facile synthesis of nanostructured catalysts supported on carbon nanotubes with atomically dispersed cobalt and nitrogen dopant is presented ...

합성 및 전기 화학적 CO₂ 감소를 위한 전이 금속 단일 원자 촉매의 성능 Characterizations

요약

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