Synthèse et caractérisation de la Performance de catalyseur seul atome de métal de Transition pour électrochimique CO2 réduction
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour la synthèse et test électrochimique des métaux de transition unique atomes coordonné en graphène postes vacants comme centres actifs pour la réduction sélective du dioxyde de carbone au monoxyde de carbone en solution aqueuse.
Abstract
Ce protocole présente aussi bien la méthode de synthèse du catalyseur seul atome Ni et l’essai électrochimique de son activité catalytique et la sélectivité dans aqueuse réduction de CO2 . Différent des nanocristaux métalliques traditionnels, la synthèse des atomes métalliques implique un matériel matriciel qui peut confiner les atomes et les empêcher d’agrégation. Nous rapportons un électrofilage et thermique recuit méthode pour préparer Ni atomes dispersés et coordonné dans une coquille de graphène, comme des centres actifs pour la réduction de CO2 à CO. Au cours de la synthèse, dopants N jouent un rôle essentiel dans la création de postes vacants de graphène pour piéger les atomes Ni. Correction de l’aberration de la microscopie électronique par balayage transmission et tomographie sonde tridimensionnelle atome étaient employés pour identifier les sites atomiques d’unique Ni dans le graphène postes vacants. Installation détaillée d’électrochimique CO2 appareil de réduction couplée à une chromatographie en phase gazeuse en ligne est également démontrée. Par rapport à Ni métallique, Ni seul atome catalyseur pièce considérablement améliorée réduction de CO2 et supprimée de réaction côté H2 evolution.
Introduction
Converting CO2 en produits chimiques ou combustibles à l’aide de l’électricité propre devient de plus en plus importante comme une voie possible pour prévenir d’autres CO2 émissions1,2,3,4, 5,6. Cependant, cette application pratique est actuellement contestée par la faible activité et la sélectivité du CO2 réaction de réduction (CO2RR) en raison des barrières cinétiques élevées et la concurrence avec la réaction de dégagement d’hydrogène (HER) en milieu aqueux médias. La plupart du catalyseur métal de transition traditionnels, tels que Fe, Co et Ni, pièce faible CO2RR sélectivité en raison de leur superbe sa activités7,8. Tuning efficacement leurs propriétés pour modifier les chemins réactionnels sur ces catalyseurs métalliques de transition devient critique afin d’améliorer leur CO2RR sélectivité. Parmi différentes méthodes pour modifier les propriétés électroniques des catalyseurs, dispersant des atomes métalliques dans une morphologie unique atome attire les attentions intenses récemment en raison de leurs comportements catalytiques considérablement changés par rapport à leurs homologues en vrac 9 , 10 , 11. Toutefois, en raison de la grande mobilité des atomes sans bornes, il est assez difficile d’obtenir des atomes métalliques sans la présence de matériaux favorables. Par conséquent, un matériel de matrice hôte avec défauts créé pour confiner et coordonner avec les atomes de métal de transition est nécessaire. Cela pourrait ouvrir de nouvelles perspectives à : 1) régler les propriétés électroniques des métaux de transition comme les sites actifs de CO2RR et 2) en même temps maintenir une coordination atomique relativement simple pour les études de mécanisme fondamental. En outre, ces atomes de métaux de transition, pris au piège dans un milieu confiné ne peut pas être déplacées facilement en catalyse, qui empêche la nucléation ou reconstructions des atomes de surface observées dans de nombreux cas12,13 ,14.
Graphène en couches bidimensionnel est particulièrement intéressant en tant qu’hôte pour les atomes métalliques en raison de leur conductivité électronique élevée, stabilité chimique et inertie à la fois la réduction de CO2 et ses réactions catalytiques. Plus important encore, Fe, Co et les métaux Ni étaient connus pour être capable de catalyser le processus de graphitisation de carbone sur leur surface15. En bref, les métaux de transition serait en alliage avec carbone au cours du processus de recuit thermique haute température. Lorsque la température descend, carbone commence à précipiter hors de la phase d’alliage et est catalysée à des couches de graphène de forme sur la surface du métal de transition. Au cours de ce processus, présentant des défauts de graphène générées, atomes métalliques seraient enfermés dans ces défauts de graphène comme les sites actifs de CO2RR16,17,18,19. Nous rapportons ici, ce protocole détaillé avec l’intention d’aider les nouveaux praticiens dans le domaine de la catalyse de l’atome, ainsi que pour fournir une démonstration explicite de CO en ligne analyse de produit de réduction2 . On trouvera plus d’informations dans notre article récemment publié19 et une série de travaux connexes20,21,22,23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans le processus électrofilage ci-dessus, deux étapes importantes doivent noter dans les procédures de synthèse matérielle : 1) chauffer le mélange DMF (étape 1.1.2) et réglage de taux 2) la pompe (étape 1.2.2) pour correspondre à la vitesse de rotation. L’image de SEM dans la Figure 1 a montre les nanofibres de carbone obtenus interconnectés entre eux (~ 200 nm de diamètre). Ils ont été brisés en petits morceaux par boule fraise caractérisations comme illustré dans la <…
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par le Rowland Fellows Program à l’Université de l’Institut de Harvard de Rowland. Ce travail a été effectué en partie au Centre pour échelle nanométrique Systems (CNS), un membre du réseau National de Infrastructure nanotechnologie, qui est soutenu par la National Science Foundation sous prix aucun. ECS-0335765. Le CNS appartient à l’Université Harvard.
Materials
| syringe pump | KD Scientific | KDS-100 | |
| tube furnance | Lindberg/Blue M | TF55035A-1 | |
| ball miller | SPEX SamplePrep | 5100 | |
| electrochemical work station | BioLogic | VMP3 | |
| pH meter | Orion | 320 PerpHecT | 2 points calibration before use |
| gas chromatograph | Shimadzu | GC-2014 | a combined seperation system consisting of molecular sieve 5A, Hayesep Q, Hayesep T, and Hayesep N |
| mass flow controller | Alicat Scientific | MC-50SCCM-D/5M | |
| ultrapure water system | Millipore | Synergy | |
| vacuum desiccator | PolyLab | 55205 | |
| polyacrylonitrile | Sigma-Aldrich | 181315 | Mw=150,000 |
| polypyrrolidone | Sigma-Aldrich | 437190 | Mw=1,300,000 |
| Ni(NO3)26H2O | Sigma-Aldrich | 244074 | |
| dicyandiamide | Sigma-Aldrich | D76609 | |
| dimethylformamide | Sigma-Aldrich | 227056 | |
| carbon fiber paper | AvCarb | MGL370 | |
| Nafion 117 membrane | Fuel Cell Store | 117 | used as proton exchange membrane in H-cell |
| KHCO3 | Sigma-Aldrich | 431583 | further purified by electrolysis |
| platinum foil | Beantown Chemical | 126580 | |
| saturated calomel electrode | CH Instruments | CHI150 | |
| glassy carbon electrode | HTW GmbH | SIGRADUR | 1 cm × 2 cm |
| wax | Apiezon | W-W100 | |
| Nafion 117 solution | Sigma-Aldrich | 70160 | used as ionomer in catalyst ink preparation |
| forming gas | Airgas | UHP | 5% H2 balanced with Ar |
| carbon dioxide | Airgas | LaserPlus | |
| sandard gas | Airgas | customized | 500 ppm CO, 500 ppm CH4, 1000 ppm H2 balanced with Ar |
| sandard gas | Air Liquide | customized | 100 ppm H2, 100 ppm CO and other alkanes balanced with Ar |
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