합성 및 전기 화학적 CO2 감소를 위한 전이 금속 단일 원자 촉매의 성능 Characterizations

요약

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.

초록

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.

서론

화학 물질이 나 깨끗 한 전기를 사용 하 여 연료로 변환 CO₂ CO₂ 배출량^1,2,3,4,^{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 그녀의^7,8낮은 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 속성....

프로토콜

1. Ni 단일 원자 촉매 (닌-GS)의 준비

1. 전기 전조 솔루션의 준비
   1. 20 mL 섬광 유리병, 분해의 polyacrylonitrile 0.5 g (M_w= 150000), polypyrrolidone의 0.5 g (M_w= 1300000), Ni (₃)₂·6H₂의 0.5 g O, 그리고 dicyandiamide (DCDA) 10 ml에서의 0.1 g dimethylformamide (DMF).
   2. DMF 혼합 80 ° C에가 열 하 고 모든 고분자와 소금을 녹이 고 명확한 솔루션은 관찰 될 때까지 지속적인 감동으로 80 ° C에 혼합물을 유지.
2. 고분자 섬유를 생산 하는 전기
   1. 기존의 전기 매개 변수 설정: 15 kV 정적 전기 전압, 공기의 15 cm의 간격 거리, 8 × 8 cm 탄소 섬유 종이 (CFP)-컬렉션 기판 4 kV 전기 전압.
   2. 5 mL 주사기로 전조 솔루션의 5 mL을 추출, 1.2 mL의 유량에 주사기 펌프 시작 h⁻¹, 그 후에 시작 된 전기.
      참고: 높은 전압 전기 사용 됩니다. 비....

결과

스캐닝 전자 현미경 (SEM), 스캐닝 전송 전자 현미경 (줄기) 및 에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (EDX) 매핑 이미지 닌-GS의 형태학 특성에 대 한 그림 1 에 나와 있습니다. 3 차원 원자 조사 단층 촬영 (3D-아파트) 결과 그들의 이웃 화학 환경 뿐 아니라 단일 Ni 사이트 배포의 직접 식별에 대 한 그림 2 에 표시 됩니다. 온라인 전기 GC 측정 설정 및 결과 CO₂RR 가스 제품의 부 량에 대 한 그림 3 에 나와 있습니다.

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토론

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 되었습니다. 높은 온도에서 Ni와 합금 탄소 원자 밖으로 침전 것이 고 과정 냉각 동안 Ni 금속 표면에 모양 그래 핀 층을 촉매 했다. 그림 1C 에서 줄기 수 차 수정에 의해 Ni NPs의 가까이 관찰 계시는 NP 몇 층에 의해 캡슐화 된 밀접 하 게, (~ 10 nm) 그래 핀의 평균된 레이어 간격에 의해 확인의 ~ 0.34 n.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
주사기 펌프	KD Scientific	KDS-100
튜브 퍼넌스	Lindberg/Blue M	TF55035A-1
볼 밀러	SPEX SamplePrep	5100
전기화학 작업 스테이션	BioLogic	VMP3
pH 미터	Orion	320 PerpHecT	사용 전 2점 교정
가스 크로마토 그래프	Shimadzu	GC-2014	분자체 5A, Hayesep Q, Hayesep T 및 Hayesep N
질량 유량 컨트롤러	Alicat Scientific	MC-50SCCM-D/5M
초순수 시스템	Millipore	Synergy
진공 탈착기	PolyLab	55205
폴리아크릴로니트릴	시그마-알드리치	181315	Mw=150,000
폴리피롤리돈	시그마-알드리치	437190	Mw=1,300,000
Ni(NO3)26H2O	시그마-알드리치	244074
디시안디아미드	Sigma-Aldrich	D76609
디메틸포름아미드	Sigma-Aldrich	227056
탄소 섬유 종이	AvCarb	MGL370
Nafion 117 막	연료 전지 Store	117	H-셀에서 프로톤 교환 막으로 사용됩니다
. KHCO3	Sigma-Aldrich	431583	로 더욱 정제됩니다
.	Beantown Chemical	126580
포화 칼로멜 전극	CH Instruments	CHI150
유리질 탄소 전극	HTW GmbH	SIGRADUR	1 cm × 2 cm
왁스	Apiezon	W-W100
Nafion 117 용액	Sigma-Aldrich	70160	촉매 잉크 준비에서 이오노머로 사용됩니다
성형 가스	Airgas	UHP	5 % H 2 < / sub> Ar
이산화탄소	Airgas LaserPlus
모래 가스	Airgas	맞춤형	500ppm CO, 500ppm CH4< / sub>, 1000ppm H 2 < / sub> Ar
sandard 가스	Air Liquide	맞춤형	100ppm H2, 100ppm CO 및 Ar과 균형 잡힌 기타 알칸

로 구성된 결합 분리 시스템 은 전기분해 백금 호일은 와 균형 잡힌