합성 및 전기 화학적 CO2 감소를 위한 전이 금속 단일 원자 촉매의 성능 Characterizations
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Acknowledgements
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.
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
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