संश्लेषण और प्रदर्शन संक्रमण धातु एकल एटम उत्प्रेरक के Characterizations विद्युत सह के लिए2 कमी
Summary
यहां, हम संश्लेषण और संक्रमण धातु एकल परमाणुओं के विद्युत परीक्षण के लिए एक प्रोटोकॉल वर्तमान जलीय समाधान में कार्बन मोनोऑक्साइड को चयनात्मक कार्बन डाइऑक्साइड की कमी के लिए सक्रिय केंद्रों के रूप में ग्राफीन रिक्तियों में समंवित ।
Abstract
इस प्रोटोकॉल नी एकल एटम उत्प्रेरक के संश्लेषण विधि दोनों प्रस्तुत करता है, और विद्युत अपने उत्प्रेरक गतिविधि के परीक्षण और जलीय सह में selectivity2 कमी । पारंपरिक धातु nanocrystals से अलग, धातु एकल परमाणुओं के संश्लेषण एक मैट्रिक्स सामग्री है कि उन एकल परमाणुओं सीमित और उंहें एकत्रीकरण से रोकने के कर सकते है शामिल है । हम एक electrospinning और थर्मल एनीलिंग विधि की रिपोर्ट करने के लिए एनआई एकल परमाणुओं को फैलाने और एक ग्राफीन खोल में समंवित, सह के लिए2 कमी के लिए सक्रिय केंद्रों के रूप में तैयार । संश्लेषण के दौरान, N dopants ट्रैप नी परमाणुओं के लिए ग्राफीन रिक्तियों को पैदा करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । वाकया-सही स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी और तीन आयामी एटम जांच टोमोग्राफी ग्राफीन रिक्तियों में एकल नी परमाणु स्थलों की पहचान के लिए कार्यरत थे । एक ऑन लाइन गैस क्रोमैटोग्राफी के साथ युग्मित विद्युत CO2 कमी उपकरण का विस्तृत सेटअप भी प्रदर्शित किया जाता है । धातुई नी की तुलना में, एनआई एकल एटम उत्प्रेरक प्रदर्शन नाटकीय रूप से सुधार सह2 कमी और दबा एच2 विकास की ओर प्रतिक्रिया.
Introduction
सहकारी2 में बदलने के रसायनों या स्वच्छ बिजली का उपयोग ईंधन में तेजी से महत्वपूर्ण होता जा रहा है एक संभावित मार्ग के रूप में आगे सह2 उत्सर्जन को रोकने के1,2,3,4, 5,6. हालांकि, इस व्यावहारिक आवेदन वर्तमान में कम गतिविधि और सह के selectivity द्वारा चुनौती दी है2 कमी प्रतिक्रिया (co2RR) उच्च काइनेटिक बाधाओं और हाइड्रोजन विकास की प्रतिक्रिया के साथ प्रतियोगिता के कारण (उसे) जलीय में मीडिया. इस तरह Fe, co, और Ni, कम सह2आरआर selectivity उनके शानदार उसकी गतिविधियों के कारण7,8के रूप में पारंपरिक संक्रमण धातु उत्प्रेरक, के अधिकांश । प्रभावी ढंग से ट्यूनिंग उनकी सामग्री संपत्तियों पर प्रतिक्रिया रास्ते बदलने के लिए इन संक्रमण धातु उत्प्रेरक उनके सह2आरआर selectivity में सुधार करने के लिए महत्वपूर्ण हो जाता है । उत्प्रेरक के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को संशोधित करने के लिए विभिन्न तरीकों के बीच, एक एकल एटम आकृति में धातु परमाणुओं को फैलाने के हाल ही में उनके थोक समकक्ष की तुलना में उनके नाटकीय रूप से बदल उत्प्रेरक व्यवहार के कारण गहन ध्यान आकर्षित करती है 9 , 10 , 11. हालांकि, असीम परमाणुओं की उच्च गतिशीलता के कारण, यह सहायक सामग्री की उपस्थिति के बिना एकल धातु परमाणुओं को प्राप्त करने के लिए काफी चुनौतीपूर्ण है । इसलिए, सीमित और संक्रमण धातु परमाणुओं के साथ समंवय करने के लिए बनाया दोषों के साथ एक मेजबान मैट्रिक्स सामग्री आवश्यक है । यह ऊपर नए अवसर खोल सकता है: 1) सह के रूप में संक्रमण धातुओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों की धुन2आरआर सक्रिय साइटों, और 2) एक ही समय में अपेक्षाकृत सरल मौलिक तंत्र अध्ययन के लिए परमाणु समंवय बनाए रखने के । इसके अलावा, उन संक्रमण धातु एक सीमित वातावरण में फंसे परमाणुओं को आसानी से catalysis, जो nucleation या सतह परमाणुओं के पुनर्निर्माण कई मामलों में मनाया रोकता है के दौरान चारों ओर नहीं ले जाया जा सकता है12,13 ,14.
दो आयामी स्तरित ग्राफीन धातु एकल उनके उच्च इलेक्ट्रॉन चालकता, रासायनिक स्थिरता के कारण परमाणुओं के लिए मेजबान के रूप में विशेष रूप से ब्याज की है, और दोनों को सह2 कमी और उसके उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं को निष्क्रियता । इससे भी महत्वपूर्ण बात, Fe, Co, और Ni धातुओं को उनकी सतह पर कार्बन graphitization प्रक्रिया को उत्प्रेरित करने में सक्षम होने के लिए जाना जाता था15। संक्षेप में, उन संक्रमण धातुओं उच्च तापमान थर्मल एनीलिंग प्रक्रिया के दौरान कार्बन के साथ मिश्र धातु होगा । जब तापमान गिरता है, कार्बन को मिश्र धातु चरण से बाहर वेग और संक्रमण धातु की सतह पर ग्राफीन परतों फार्म catalyzed है शुरू होता है । इस प्रक्रिया के दौरान, ग्राफीन दोषों उत्पंन के साथ, धातु एकल परमाणुओं को सह के लिए सक्रिय साइटों के रूप में उन ग्राफीन दोषों में फंस जाएगा2आरआर16,17,18,19। यहां, हम इस विस्तृत एकल एटम catalysis के क्षेत्र में नए चिकित्सकों की मदद करने का इरादा प्रोटोकॉल की रिपोर्ट, के रूप में अच्छी तरह के रूप में ऑन लाइन सह के एक स्पष्ट प्रदर्शन प्रदान करने के लिए2 कमी उत्पाद विश्लेषण । अधिक जानकारी हमारे हाल ही में प्रकाशित लेख में पाया जा सकता है19 और संबंधित कार्यों की एक श्रृंखला20,21,22,23।
Protocol
Representative Results
Discussion
उपरोक्त electrospinning प्रक्रिया में, दो महत्वपूर्ण कदम सामग्री संश्लेषण प्रक्रियाओं में ध्यान दिया जाना चाहिए: 1) DMF मिश्रण (1.1.2 कदम) हीटिंग, और 2) पंप दर समायोजन (कदम 1.2.2) कताई दर मैच के लिए. आंकड़ा 1a में SEM छव…
Acknowledgements
इस काम को हार्वर्ड यूनिवर्सिटी के Rowland इंस्टिट्यूट में Rowland फैलोज़ प्रोग्राम ने सपोर्ट किया था. इस काम के हिस्से में नेनो सिस्टम (सीएनएस), राष्ट्रीय नैनो बुनियादी सुविधा नेटवर्क है, जो राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा पुरस्कार सं के तहत समर्थित है के एक सदस्य के लिए केंद्र में किया गया था । ईसीएस-०३३५७६५. सीएनएस हार्वर्ड यूनिवर्सिटी का हिस्सा है ।
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 |
Riferimenti
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