Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Burada, biz sentezi için bir iletişim kuralı mevcut ve elektrokimyasal test geçiş metalleri tek atomlarının grafen boş seçici karbon dioksit azaltılması için sulu çözümler karbon monoksit için etkin merkezleri olarak koordine.

Özet

Bu iletişim kuralı hem sentez yöntemi Ni tek atom katalizör ve katalitik aktivitesi ve seçicilik sulu CO2 azaltma içinde elektrokimyasal test sunar. Farklı geleneksel metal nanocrystals, metal tek atom sentezi tek o atomları sınırlandırmak ve önlemek onları--dan toplama bir matris malzeme içerir. Biz bir electrospinning ve tek atom ve dağınık bir grafen kabuğu olarak, co CO2 azaltılması için etkin merkezleri olarak koordine Ni hazırlamak için yöntem tavlama termal raporu. Sentez sırasında N dopants graphene boş pozisyonlar Ni atomlar yakalamak için üreten bir kritik rol oynamaktadır. Tarama transmisyon elektron mikroskobu sapmaları-düzeltilir ve üç boyutlu atom sonda tomografi grafen boş pozisyonlar tek Ni atomik Siteler'de tanımlamak için istihdam edildi. Detaylı Kurulum elektrokimyasal CO2 azaltma aygıtının bir on-line Gaz Kromatografi ile birleştiğinde de gösterdi. Metalik Ni için karşılaştırıldığında, Ni tek atom katalizör büyük ölçüde geliştirilmiş CO2 azaltma sergi ve H2 evrim yan reaksiyon bastırılır.

Giriş

Dönüştürme CO2 kimyasal madde veya yakıtlar temiz elektrik kullanarak içine daha fazla CO2 emisyonu1,2,3,4önlemek için olası bir yol olarak giderek önem kazanıyor, 5,6. Ancak, pratik Bu uygulama şu anda düşük etkinlik ve seçicilik CO2 azaltma tepki (CO2RR) yüksek Kinetik engelleri ve rekabet nedeniyle ile hidrojen evrim reaksiyonu (HER) sulu tarafından meydan medya. Fe, Co, Ni, gibi geleneksel Geçiş metalleri katalizör çoğunu kendi mükemmel HER etkinlikler7,8nedeniyle düşük CO2RR seçicilik sergi. Etkili bir şekilde tepki yolları bu geçiş metal katalizörler üzerinde değiştirmek için malzeme özellikleri ayarlama onların CO2RR seçicilik geliştirmek için kritik hale gelir. Katalizörler elektronik özelliklerini değiştirmek için farklı yöntemler arasında bir tek-atom Morfoloji metal atomları Dispergatör onların toplu muadili karşılaştırıldığında son zamanlarda önemli ölçüde değiştirilmiş katalitik davranışları nedeniyle yoğun ilgi çekiyor 9 , 10 , 11. ancak, sınırsız atomlar yüksek hareketlilik nedeniyle, tek metal atomları destekleyici malzemeler varlığı olmaksızın elde etmek oldukça zor. Bu nedenle, bir ana bilgisayar matris malzeme ile sınırlandırmak ve geçiş metal atomları ile koordine etmek için oluşturulan hataları gereklidir. Bu yeni fırsatlar için açabilir: 1) CO2RR etkin sitelere ve 2 geçiş metal elektronik özellikleri ayarlamak) aynı zamanda temel mekanizması çalışmaları için nispeten basit atomik koordinasyon korumak. Ayrıca, kapalı bir ortamda sıkışıp bu geçiş metal atomları kolayca çekirdekleşme veya rekonstrüksiyonlar birçok durumlarda12,13 gözlenen yüzey atomlarının engeller kataliz sırasında taşınamaz ,14.

İki boyutlu katmanlı Grafin CO2 azaltma ve onu katalitik reaksiyonlar için onların yüksek elektron iletkenlik, kimyasal kararlılık ve hareketsizlik nedeniyle metal tek atom için konağı olarak özel ilgi var. Daha da önemlisi, Fe, Co, Ni metaller ve onların yüzey15karbon graphitization göreve katalizler edebilmek için biliniyordu. Kısacası, bu geçiş metallerden karbon ile işlem tavlama yüksek sıcaklık termal sırasında alaşım. Sıcaklık düştüğünde, karbon Alaşımlandırma faz dışı çökelti başlar ve geçiş metal yüzeyi formu grafen katmanlara katalizlenir. Bu işlem sırasında oluşturulan, Grafin kusurları ile metal tek atom bu grafen hataları etkin sitelere CO2RR16,17,18,19olarak tuzağa. Burada, yeni uygulayıcıları tek atom kataliz, de alanında açık bir gösteri on-line co2 azaltma ürün analizi sağlamak için yardım isteyen bu ayrıntılı iletişim kuralı raporu. Daha fazla bilgi-ebilmek bulunmak bizim kısa bir süre önce madde19 ve bir dizi ilgili işleri20,21,22,23.

Protokol

1. hazırlanması Ni tek Atom katalizör (NiN-GS)

  1. Electrospinning öncü çözüm hazırlanması
    1. 20 mL mercek şişeyi al, poliakrilonitril 0.5 g dağıtılması (Mw= 150.000), polypyrrolidone 0.5 g (Mw1,300,000 =), 0,5 g Ni (NO3)2·6H2O ' ya ve dicyandiamide (DCDA) 10 ml 0.1 g dimethylformamide (DMF).
    2. DMF karışımı ile 80 ° C ısı ve 80 ° C'de sabit tüm Polimerler ve tuz çözünmüş ve net bir çözüm görülmektedir kadar karıştırma ile karışımı tutmak.
  2. Polimer lifleri üretmek için Electrospinning
    1. Geleneksel electrospinning parametreleri olarak belirleme: 15 kV statik elektrik gerilimi, hava 15 cm boşluk mesafe, 8 × 8 cm karbon elyaf kağıt (CFP) ile - bir koleksiyon substrat 4 kV elektrik voltaj.
    2. Öncü çözüm 5 mL 5 mL şırınga hulâsa, şırınga pompa 1.2 mL akış hızında başlangıç s−1, sonra Başlat electrospinning.
      Not: Yüksek gerilim electrospinning için kullanılır. Çok düşük akım sistemi üzerinden işlem iplik sırasında gider de, yalıtılmış bir ahşap dolap önerilmektedir.
    3. Electrospinning işlemi bittiğinde CFP substrat al. Bir polimer fiber film CFP yüzey kapsar.
  3. Polimer lifleri karbon nanotüpler tavlama
    1. Olarak hazırlanan polimer fiber film/CFP bir kutu fırın içinde 1,5 saat içinde 300 ° c ısı ve sıcaklık polimerler okside 0,5 h için devam.
      Not: oksitlenmeye işleminden sonra nanofibers (NFs) duran filmde kaynaklanan karbon kağıdı kendi kendine müstakil.
    2. Bu nanofibers küçük parçalar halinde kesmek için bir makas kullanın (~ 0.5 cm × 2 cm) ve kuvars tekne içine koyun.
    3. Kuvars tekne bir tüp fırın içine yerleştirin ve gaz (%5 H2 ' Ar) atmosfer oluşturan içinde deaerate. 100 sccm olarak gaz debi ve basınç 1 Tor olarak tutun.
    4. 300 ° C-10 dk ramping ve 750 ° c, nerede o başka bir 1 h için tutulur ve aşağı doğal soğutma ardından 2 h ramping içinde ısıtır.
  4. Top fabrikası olarak sentezlenmiş NiN-GS katalizör nanopowders kataliz ve karakterizasyonu için 5 min için.

2. elektrokimyasal CO2 azaltma ölçümleri

  1. Hücre ve elektrotları
    1. MA 24 h için herhangi kaldırmak için izleme metal miktarını için aşağıdaki ölçümler 0.1 M KHCO3 elektrolit hazırlamak, ilk KHCO3 ultrasaf su 250 ml 2.5 g geçiyoruz, o zaman elektroliz 0,1 adlı iki grafit çubuk arasındaki tarafından elektrolit arındırmak için iyonları.
    2. Bir taze (mamüllerinin) cilalı cam gibi karbon (1 cm × 2 cm) alın ve çalışma elektrot substrat olarak bir mamüllerinin etkisiz, hidrofobik balmumu ile onun arka kapak.
    3. 4 mL mercek şişe alın, 1 mL etanol ve İonomeri çözüm (%5 2-proponal) şişe içinde 100 µL NiN-GS katalizör hazırlanan 5 mg karıştırın ve bir homojen katalizör mürekkep askıya almak 20 dk için solüsyon içeren temizleyicide.
    4. Damlalıklı 80 µL üzerine 2 cm2 cam gibi karbon yüzey (0.2 mg cm-2 toplu yükleme) ve vakumlu katalizör mürekkebin kuru katalizör örtülü elektrot kullanımı önce bir desiccator.
    5. Platin bir folyo ve doymuş kalomel elektrot (SCE) sayaç ve referans elektrot, sırasıyla kullanın.
    6. Proton değişim membran, elektrokimyasal testleri çalıştıran yanı sıra montaj Yukarıdaki 3 elektrotlar için ayrılmış bir özelleştirilmiş gastight H-tipi cam hücre, kullanın.
    7. Çalışma elektrot ve SCE referans elektrot bir yerde H-hücre ve Pt folyo elektrot diğer odasında yerleştirin. Enjekte ~ her yerde H-hücre elektrolit 25 mL.
    8. H-hücredeki 3 elektrotlar elektrokimyasal iş istasyonu potansiyel denetim için bağlayın.
    9. N2doğru 30 dk için N2 (kütle akış denetleyicisi tarafından izlenen) 50.0 sccm adlı elektrolit kabarcık-doymuş 0.1 M KHCO3.
    10. EC-Lab yazılımında çevrimsel Voltammetry (CV) tekniği seçin, "-10 V 10 V", "E aralığı (potansiyel)" ayarla "Ben"Otomatik ", (geçerli) aralığı" gerçekleştirmek 5 sürekli CV tarama -0,5 V-1.8 V 50 mV/s N2tarama oranında (SCE) vs için-doymuş 0.1 M KHCO3.
    11. Değiştirmek 50 sccm CO2 gaz akışı için CO2doğru 30 dk bekleyin-doymuş 0.1 M KHCO3 elektrolit ve aynı CO2 akışını aşağıdaki elektroliz boyunca korumak.
    12. EC-Lab yazılımında CV tekniği seçin, "-10 V 10 V", "E aralığı (potansiyel)" ayarla "Ben"Otomatik ", (geçerli) aralığı" gerçekleştirmek 5 sürekli CV tarama -0,5 V-1.8 V 50 mV/s CO2tarama oranında (SCE) vs için-doymuş 0.1 M KHCO3.
    13. Bir pH metre elektrolitler, YanipH değerini belirlemek için kullanın., 0.1 M KHCO3 N2 veya CO2ile doymuş.
    14. Tüm potansiyelleri içinde bu iş istimal tersinir hidrojen elektrot (RHE) ölçek SCE karşı ölçülen dönüştürmek E (vs RHE) = E (vs SCE) + 0,244 V + 0.0591 × pH.
    15. EC-Lab yazılım çözüm direnç (Ru) Potentiostatic elektrokimyasal empedans spektroskopisi (PEIS) tekniği, sonra frekans ayarı aralığı 200 kHz ila 0.1 Hz den seçerek belirlemek, direnç değeri kaydedin.
    16. El ile telafi IR-damla E (IR düzeltilmiş vs RHE) = E (vs RHE) - Ru × ben (ortalama geçerli amper).
  2. CO2 azaltma ürünleri analiz on-line gaz Kromatograf (GC) tarafından
    1. Gaz ürünleri Çözümleme sırasında CO2RR için moleküler elek 5A ve micropacked sütun birleşimi ile donatılmış bir GC, istihdam.
      Not: Detaylı GC sütun türleri ekli Malzemeler tablobulunabilir.
    2. H2 konsantrasyon ölçmek için bir ısı iletkenlik dedektörü (TCD) ve bir alev iyonizasyon detektörü (FID) bir methanizer kantitatif analiz CO içerik ve/veya herhangi bir diğer Alkan türler ile kullanın.
    3. İki farklı standart gazlar CO konsantrasyon ve H2 kalibrasyon Eğriler için kullanın (H2: 100 ve 1042 ppm; CO: 100 ve 496.7 ppm; Argon ile dengeli bir).
    4. Elektroliz sırasında CO2 gaz debisi 50.0 sccm adlı korumak, CO2 CO2içeren Katodik bölmesine teslim-doymuş 0.1 M KHCO3 elektrolit ve havalandırma egzoz GC içine.
    5. Kademeli ayar çalışma elektrodu,--dan-0.3-V 1.0 RHE, vs arasında değişen üzerinde gerilim devam ~ her potansiyel ve kayda karşılık gelen chronoamperimetric eğrisi 15 dakikadır.
    6. H2 ve CO içindekiler TCD ve FID sinyalleri, egzoz içinde sırasıyla belirler.
      Not: Gaz ürünleri sonra sürekli bir elektroliz örneklenmiş ~ her potansiyel altında 10 dak. Sürekli olarak karışık 50 sccm CO2 gaz H2 ve CO, GC örnekleme döngü (1 mL) elektroliz sırasında akan üretti.
    7. Kısmi akım yoğunluğu için verilen gaz ürün olarak hesapla:
      figure-protocol-6905
      Ben x online GC kalibrasyon Eğriler için başvurulan tarafından belirlenen belirli ürün birim kısmını olduğu yerde iki standart gaz örnekleri (Scott ve Airgas), v 50 sccm akış hızı, nben sayısı Elektron dahil, p0 101.3 kPa, = ve F Faradaic sabiti ve R gaz sabiti.
    8. Her potansiyel olarak, karşılık gelen Faradaic verimlilik (FE) hesaplamak figure-protocol-7408 .
      Not: Genel olarak Faradaic verimliliği gaz debisi, akım yoğunluğu ve GC gaz toplama çözümleme hataları nedeniyle % 90-110 aralığındaki olabilir.

Sonuçlar

Elektron mikroskobu (SEM), transmisyon elektron mikroskobu (kök) ve enerji dağıtıcı x-ışını spektroskopisi (EDX) tarama tarama eşleme görüntüleri NiN-GS Morfoloji karakterizasyonu için şekil 1 ' de gösterilmektedir. Üç boyutlu atom sonda tomografi (3D-APT) sonuçları için tek Ni siteleri dağıtım hem de komşu kimyasal çevre kimlik doğrudan Şekil 2 ' de gösterilmiştir. On-line elektrokimyasal GC ölçü...

Tartışmalar

Yukarıdaki electrospinning süreç içinde iki önemli adım malzeme sentezi yordamlarda belirtmek gerekir: 1) Isıtma DMF karışımı (Adım 1.1.2) iplik oranı eşleşecek şekilde ve 2) pompa hızını (Adım 1.2.2) ayarlama. Şekil 1A SEM görüntü birbirleri ile bağlantılı elde edilen karbon nanofibers gösterir (~ 200 nm çapında). Küçük parçalar halinde şekil 1Badımında gösterildiği gibi karakterizasyonu için freze topu tarafından kırı...

Teşekkürler

Bu eser Rowland Fellows programı Rowland Enstitüsü Harvard Üniversitesi tarafından desteklenmiştir. Bu eser kısmen için Nano sistemleri (CNS), Ulusal Bilim Vakfı Ödülü altında tarafından desteklenen Ulusal nanoteknoloji altyapı ağı üyesi merkezinde gerçekleştirilen yok. ECS-0335765. MSS Harvard Üniversitesi bir parçasıdır.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
syringe pump KD ScientificKDS-100
tube furnanceLindberg/Blue MTF55035A-1
ball millerSPEX SamplePrep5100
electrochemical work stationBioLogicVMP3
pH meterOrion320 PerpHecT 2 points calibration before use
gas chromatographShimadzuGC-2014a combined seperation system consisting of molecular sieve 5A, Hayesep Q, Hayesep T, and Hayesep N
mass flow controllerAlicat Scientific MC-50SCCM-D/5M
ultrapure water systemMilliporeSynergy
vacuum desiccator PolyLab55205
polyacrylonitrileSigma-Aldrich181315Mw=150,000
polypyrrolidoneSigma-Aldrich437190Mw=1,300,000
Ni(NO3)26H2OSigma-Aldrich244074
dicyandiamideSigma-AldrichD76609
dimethylformamideSigma-Aldrich227056
carbon fiber paper AvCarbMGL370
Nafion 117 membraneFuel Cell Store117used as proton exchange membrane in H-cell
KHCO3Sigma-Aldrich431583further purified by electrolysis
platinum foil Beantown Chemical126580
saturated calomel electrodeCH InstrumentsCHI150
glassy carbon electrodeHTW GmbHSIGRADUR1 cm × 2 cm
waxApiezonW-W100
Nafion 117 solutionSigma-Aldrich70160used as ionomer in catalyst ink preparation 
forming gasAirgasUHP5% H2 balanced with Ar
carbon dioxideAirgasLaserPlus
sandard gasAirgascustomized500 ppm CO, 500 ppm CH4, 1000 ppm H2 balanced with Ar
sandard gasAir Liquidecustomized100 ppm H2, 100 ppm CO and other alkanes balanced with Ar

Referanslar

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

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Kimyasay 134tek atom kataliz rGe i metallerielectrospinninggrafenkarbon dioksit azaltmaFaradaic verimlili i

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır