التوليف والأوصاف الأداء من المعادن الانتقالية ذرة واحدة محفز للحد من2 CO الكهروكيميائية
Summary
هنا، نقدم بروتوكولا لتركيب واختبار الكهروكيميائية لذرات المعدن مرحلة انتقالية واحدة منسقة في الشواغر الجرافين كمراكز نشطة لتخفيض ثاني أكسيد الكربون الانتقائي لأول أكسيد الكربون في المحاليل.
Abstract
ويقدم هذا البروتوكول كل أسلوب التوليف الحفاز ذرة واحدة ني، واختبار الكهروكيميائية نشاط الحفاز والانتقائية في تخفيض2 CO مائي. يختلف نانوكريستالس المعدنية التقليدية، تركيب ذرات المعدن واحد ينطوي على مواد مصفوفة التي يمكن حصر تلك الذرات واحدة ومنعها من التراكم. نحن التقرير اليكتروسبينينج والحرارية الصلب أسلوب إعداد ني ذرات مفردة مشتتة وتنسيقها في قذيفة الجرافين، كالمراكز النشطة للحد من2 CO أول أكسيد الكربون. خلال التوليف، دوبانتس ن تلعب دوراً حاسما في توليد الجرافين الشواغر إلى اعتراض ذرات ني. كانوا يعملون لتصحيح انحراف المسح مجهر إلكتروني والتصوير المقطعي مسبار ذرة ثلاثي الأبعاد تحديد المواقع الذرية ني واحد في الشواغر الجرافين. ويتجلى أيضا الإعداد التفصيلي الكهروكيميائية CO2 الحد من جهاز مقرونا الفصل لوني للغاز على الخط. بالمقارنة مع ني المعدني، ني ذرة واحدة محفز يحمل الحد2 CO تحسنت بشكل كبير وقمعت ح2 تطور رد فعل الجانب.
Introduction
تحويل CO2 في الكيماويات أو الوقود باستخدام الكهرباء النظيفة تزداد أهمية كطريق محتمل لمنع المزيد من أول أكسيد الكربون2 الانبعاثات1،2،،من34، 5،6. ومع ذلك، هذا التطبيق العملي حاليا يطعن فيها بقلة النشاط والانتقائية CO2 الحد من رد الفعل (CO2RR) بسبب العوائق الحركية العالية والمنافسة مع رد فعل تطور الهيدروجين (هير) في مائي وسائل الإعلام. معظم محفز التقليدية انتقال المعادن، مثل الحديد، أول أكسيد الكربون، والمؤسسات الوطنية، يحمل CO2RR الانتقائية منخفضة بسبب هم رائع هر7،الأنشطة8. فعالية ضبط خصائصها المادية لتغيير مسارات رد فعل على هذه العوامل الحفازة المعادن الانتقالية يصبح حاسما لتحسين تلك الانتقائية2RR CO. بين أساليب مختلفة لتعديل خصائص إلكترونية من المواد الحفازة، تشتيت ذرات المعدن في مورفولوجيا ذرة واحدة يجذب اهتمام مكثف مؤخرا بسبب سلوكهم حفاز تغير جذريا مقارنة بنظيرتها السائبة 9 , 10 , 11-ومع ذلك، نظراً لكثرة تنقل الذرات غير محدودة، تحد كبير للحصول على ذرات المعدن واحد دون وجود مواد داعمة. ولذلك فمن الضروري مادة مصفوفة مضيف مع العيوب التي تم إنشاؤها لحصر وتنسيق مع ذرات المعادن الانتقالية. وهذا يمكن أن تفتح فرصاً جديدة ل: 1) ضبط الخصائص الإلكترونية للمعادن الانتقالية كأول أكسيد الكربون2RR المواقع النشطة، و 2) وفي الوقت نفسه الحفاظ على التنسيق الذري بسيطة نسبيا للدراسات الأساسية إليه. وباﻹضافة إلى ذلك، تلك الذرات المعدنية الانتقالية محاصرين في بيئة محصورة لا يمكن بسهولة نقل أثناء الحفز، مما يمنع التنو أو إعادة البناء من ذرات السطح لوحظ في كثير من الحالات12،13 ،14.
الجرافين طبقات ثنائية الأبعاد باهتمام خاص كمضيف لذرات المعدن واحد سبب الموصلية الإلكترون عالية، والاستقرار الكيميائي، ويفرط CO2 الحد ولها ردود فعل الحفاز. الأهم من ذلك، كانت تعرف ني المعادن والحديد، أول أكسيد الكربون، لتكون قادرة على حفز عملية المعدة الكربون على السطح15. وباختصار، أن سبائك هذه المعادن الانتقالية مع الكربون أثناء ارتفاع درجة الحرارة الحرارية الصلب عملية. عندما تنخفض درجة الحرارة، يبدأ للتعجيل بالخروج من مرحلة تسبيك الكربون وهو حفز لطبقات الجرافين شكل على سطح المعدن مرحلة انتقالية. أثناء هذه العملية، مع الجرافين العيوب التي تم إنشاؤها، ذرات المعدن واحد سوف تكون المحاصرين في تلك العيوب الجرافين كمواقع نشطة لأول أكسيد الكربون2RR16،17،،من1819. هنا، نحن تقرير هذا البروتوكول مفصلاً تعتزم مساعدة الممارسين جديدة في مجال الحفز ذرة واحدة، كذلك توفير مظاهرة صريحة من شركة على الخط2 الحد من تحليل المنتج. يمكن الاطلاع على مزيد من المعلومات في مقال نشر مؤخرا لدينا19 وسلسلة من الأعمال ذات الصلة20،21،،من2223.
Protocol
Representative Results
Discussion
في عملية اليكتروسبينينج أعلاه، ينبغي أن يلاحظ خطوتين هامتين في إجراءات تجميع المواد: 1) التدفئة المخلوط DMF (الخطوة 1.1.2)، و 2) مضخة معدل ضبط (الخطوة 1.2.2) لمطابقة معدل الدوران. وتوضح الصورة ووزارة شؤون المرأة في الشكل 1A النانو حصل على الكربون مترابطة مع بعضها البعض (~ 200 نانو متر ف?…
Acknowledgements
وأيد هذا العمل “برنامج الزملاء رولاند” في جامعة “معهد هارفرد رولاند”. تم إجراء هذا العمل جزئيا في المركز لأنظمة النانو (CNS)، عضو “الشبكة الوطنية للهياكل الأساسية لتكنولوجيا النانو”، الذي تدعمه “المؤسسة الوطنية للعلوم” بجائزة لا. ECS-0335765. الجهاز العصبي المركزي جزء من جامعة هارفارد.
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 |
Referencias
- Lewis, N. S., Nocera, D. G. Powering the planet: Chemical challenges in solar energy utilization. P. Natl. Acad. Sci. USA. 103, 15729-15735 (2006).
- Appel, A. M., et al. Frontiers, Opportunities, and Challenges in Biochemical and Chemical Catalysis of CO2 Fixation. Chem. Rev. 113, 6621-6658 (2013).
- 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).
- Ashford, D. L., et al. Molecular Chromophore-Catalyst Assemblies for Solar Fuel Applications. Chem. Rev. 115, 13006-13049 (2015).
- Nocera, D. G. Solar Fuels and Solar Chemicals Industry. Accounts. Chem. Res. 50, 616-619 (2017).
- 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).
- 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).
- Hori, Y. . Modern aspects of electrochemistry. , 89-189 (2008).
- Lin, S., et al. Covalent organic frameworks comprising cobalt porphyrins for catalytic CO2 reduction in water. Science. 349, 1208-1213 (2015).
- Zhang, X., et al. Highly selective and active CO2 reduction electrocatalysts based on cobalt phthalocyanine/carbon nanotube hybrid structures. Nat. Commun. 8, 14675 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- Manthiram, K., Surendranath, Y., Alivisatos, A. P. Dendritic Assembly of Gold Nanoparticles during Fuel-Forming Electrocatalysis. J. Am. Chem. Soc. 136, 7237-7240 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jiang, K., et al. Transition metal atoms in a graphene shell as active centers for highly efficient artificial photosynthesis. Chem. 3, 950-960 (2017).
- 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).
- Jiang, K., et al. Silver Nanoparticles with Surface-Bonded Oxygen for Highly Selective CO2 Reduction. ACS Sustain Chem. Eng. 5, 8529-8534 (2017).
- Siahrostami, S., et al. Theoretical Investigations into Defected Graphene for Electrochemical Reduction of CO2. ACS Sustain Chem. Eng. 5, 11080-11085 (2017).
- Jiang, K., et al. Metal Ion Cycling of Cu Foil for Selective C-C Coupling in Electrochemical CO2 Reduction. Nat. Catal. , (2017).
