Synthese und Performance Charakterisierungen von Übergangsmetall Einzelatom Katalysator für elektrochemische CO₂ -Reduktion

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll für die Synthese und Elektrochemische Prüfung Übergangsmetall einzelner Atome als aktive Zentren für selektive Kohlendioxid-Reduktion zu Kohlenmonoxid in wässrigen Lösungen in Graphen stellen koordiniert.

Dieses Protokoll stellt die Synthese-Methode des Katalysators Ni einzelnes Atom, sowohl die Elektrochemische Prüfung ihrer katalytischen Aktivität und Selektivität in wässrigen CO₂ -Reduktion. Anders als bei traditionellen Metall-Nanokristalle, beinhaltet die Synthese der einzelnen metallatomen Matrixmaterial, die die einzelne Atome zu beschränken und Aggregation hindern kann. Wir berichten über eine Elektrospinnen und thermische Methode um Ni vorzubereiten, einzelne Atome verteilt und koordiniert in einem Graphen-Shell als aktive Zentren für CO₂ -Reduktion Co, Glühen. Während der Synthese spielen N Dotierstoffe eine entscheidende Rolle bei der Schaffung von Graphen stellen Ni Atome auffangen. Aberration korrigiert Scan Transmissions-Elektronenmikroskopie und dreidimensionale Atom Probe Tomography wurden eingesetzt, um den einzelnen Ni atomaren Standorten in Graphen stellen zu identifizieren. Detaillierten Aufbau der elektrochemische CO₂ Reduktion Apparat mit einem Online-Gaschromatographie gekoppelt wird auch demonstriert. Im Vergleich zu metallischen Ni, Ni einzelatom Katalysator weisen deutlich verbesserte CO₂ -Reduktion und H₂ Evolution Seite Reaktion unterdrückt.

Konvertieren von CO₂ in Chemikalien oder Kraftstoffe mit sauberem Strom gewinnt zunehmend an Bedeutung als ein möglicher Weg zur Verhinderung weiterer CO₂ Emissionen^{1,2,3,4, 5,6}. Jedoch mit dieser praktischen Anwendung derzeit durch die geringe Aktivität und Selektivität der CO₂ Reduktionsreaktion (CO₂RR) durch die hohe kinetischen Barrieren und die Konkurrenz mit Wasserstoff Evolution Reaktion (HER) in wässrigen herausgefordert Medien. Die meisten traditionellen Übergangsmetall-Katalysators, wie Fe, Co, Ni, weisen niedrige CO₂RR Selektivität durch ihre hervorragende HER Aktivitäten^7,8. Effektiv ihre Materialeigenschaften ändern die Reaktionswege auf diese Übergangsmetallkatalysatoren tuning wird kritisch ihre CO₂RR Selektivität zu verbessern. Unter verschiedenen Methoden zum Ändern der elektronischen Eigenschaften von Katalysatoren zieht die Metallatome in einem einzelatom-Morphologie Dispergieren intensive Aufmerksamkeit vor kurzem wegen ihrer dramatisch veränderten katalytische Verhalten im Vergleich zu ihrer Masse Gegenstück ^{9 , 10 , 11}. jedoch aufgrund der hohen Beweglichkeit der ungebundene Atome, es ist ziemlich schwierig, einzelne Metallatome ohne die Anwesenheit von unterstützenden Materialien zu erhalten. Deshalb Host Matrixmaterial mit defekten erstellt beschränken und mit Übergangsmetall Atome koordinieren muss. Dies könnte eröffnen Ihnen neue Möglichkeiten auf: (1) die elektronischen Eigenschaften der Übergangsmetalle als CO₂RR aktive Zentren und 2 Stimmen) gleichzeitig pflegen relativ einfachen atomaren Koordination für grundlegender Mechanismus Studien. Diese Übergangsmetall-Atome gefangen in einer beengten Umgebung darüber hinaus können nicht leicht während der Katalyse, verschoben werden um die Keimbildung oder Rekonstruktionen von Oberflächenatomen beobachtet in vielen Fällen^{12,13 verhindert ,14}.

Zweidimensionalen Ebenen Graphen ist von besonderem Interesse als Host für einzelne Metallatome aufgrund ihrer hohen elektronenleitfähigkeit, chemische Beständigkeit und Trägheit, CO₂ -Reduktion und ihre katalytische Reaktionen. Noch wichtiger ist, kannte man Fe, Co und Ni Metalle zu den Kohlenstoff Graphitisierung Prozess auf ihrer Oberfläche¹⁵katalysieren können. Kurz gesagt, würde diese Übergangsmetalle mit Kohlenstoff während der Hochtemperatur-thermische glühprozess Legierung. Sinkt die Temperatur, Carbon beginnt, Legierungsmetall phasenverschoben auszufällen und Form Graphene Schichten auf der Oberfläche des Übergangsmetall katalysiert wird. Während dieses Prozesses wäre mit Graphen-Fehler generiert, einzelne Metallatome in Graphen Mängel als die aktiven Zentren für CO₂RR^16,17,18,19gefangen. Hier berichten wir über dieses ausführliche Protokoll Absicht zu helfen, neue Praktiker auf dem Gebiet der einzelnen Atom Katalyse, sowie eine explizite Demonstration Online-Co₂ -Reduktion-Produkt-Analyse zur Verfügung zu stellen. Weitere Informationen finden in unserer kürzlich veröffentlichten Artikel¹⁹ und eine Reihe von damit verbundenen Arbeiten^20,21,22,23.

1. Vorbereitung der Ni Single Atom Katalysator (NiN-GS)

1. Vorbereitung der Elektrospinnen Vorläufer Lösung
   1. Nehmen Sie ein Fläschchen 20 mL funkeln, Auflösen von 0,5 g Polyacrylnitril (M_w= 150.000), 0,5 g Polypyrrolidone (M_w= 1.300.000), 0,5 g Ni (Nr.₃)₂·6H₂O und 0,1 g Dicyandiamid (DCDA) in 10 mL der Dimethylformamid (DMF).
   2. Erhitzen Sie die DMF-Mischung auf 80 ° C und halten Sie die Mischung auf 80 ° C unter ständigem Rühren, bis alle Polymere und Salz aufgelöst und eine klare Lösung wird beobachtet.
2. Elektrospinnen Polymerfasern herzustellen
   1. Konventionelle Elektrospinnen Parameter als: 15 kV statische elektrische Spannung, 15 cm Luft Spalt Abstand, eine Sammlung Substrat 8 × 8 cm Kohlefaser-Papier (GFP) mit - 4 kV elektrische Spannung.
   2. Extrakt 5 mL Vorläufer-Lösung in eine 5 mL Spritze, Spritze Pumpe mit einer Durchflussrate von 1,2 mL h⁻¹und dann beginnen die Elektrospinnen.
      Hinweis: Eine hohe Spannung wird für Elektrospinnen verwendet. Obwohl sehr geringer Strom durch das System während Spinnen Prozess geht, empfiehlt sich eine isolierte Holzgehäuse.
   3. Nehmen Sie das GFP-Substrat, sobald die Elektrospinnen abgeschlossen ist. Ein Polymerfilm Faser deckt die GFP-Oberfläche.
3. Glühen Polymerfasern in Kohlenstoff-Nanoröhren
   1. Heizen Sie als vorbereitet Polymer Faser Film/GFP bis 300 ° C in 1,5 h in einem Box-Ofen zu, und halten Sie die Temperatur für 0,5 h, die Polymere zu oxidieren.
      Hinweis: Nach der Oxidation ist Nanofasern (NFs) selbst losgelöst von der resultierenden in der freistehenden Film Kohlepapier.
   2. Der Schere verwenden, um diese Nanofasern in kleinere Stücke geschnitten (~ 0,5 cm × 2 cm) und legen Sie sie in ein quarzboot.
   3. Legen Sie das quarzboot in einem Rohrofen und innerhalb bilden Gasatmosphäre (5 % H₂ Ar) entlüften. Halten Sie den Gasdurchsatz als 100 Sccm und der Druck als 1 Tor.
   4. Innerhalb von 10 min Rampen bis 300 ° C und 2 h Rampen bis 750 ° C, wo es ein weiteres 1 h gewartet und gefolgt von der natürlichen Abkühlung erwärmen.
4. Ball Mühle als synthetisiert NiN-GS Katalysator für 5 min zu Nanopulver für Katalyse und Charakterisierungen.

2. elektrochemische CO₂ -Reduktion-Messungen

1. Zelle und Elektroden
   1. 0,1 M KHCO₃ Elektrolyt für die folgenden Messungen vorbereiten, lösen Sie zuerst 2,5 g KHCO₃ in 250 mL Reinstwasser, dann Reinigen des Elektrolyts durch Elektrolyse zwischen beiden Graphitstäbe bei 0,1 mA für 24 h, entfernen verfolgen Menge an Metall Ionen.
   2. Nehmen Sie eine frische (elektrochemisch) polierte glasige Kohlenstoff (1 cm × 2 cm), und bedecken Sie seine Rückseite mit einer elektrochemisch inerten, hydrophobe Wachs als funktionierende Elektrode Substrat.
   3. Nehmen Sie ein Fläschchen 4 mL funkeln, 5 mg als bereit NiN-GS Katalysator mit 1 mL Ethanol und 100 µL Ionomer-Lösung (5 % in 2-Proponal) in das Fläschchen mischen und für 20 min eine homogene Katalysatoren Tinte Aussetzung zu beschallen.
   4. Pipettieren 80 µL der Katalysator Tinte auf 2 cm² glassy Carbon-Oberfläche (0,2 mg cm^-2 Masse laden) und Vakuum trocknen den Katalysator überdachte Elektrode in den Exsikkator gestellt vor dem Gebrauch.
   5. Verwenden Sie eine platinfolie und einer gesättigten Kalomel-Elektrode (SCE) als Zähler und Bezugselektrode, beziehungsweise.
   6. Verwenden Sie eine angepasste gasdichte H-Typ Glas Zelle, getrennt durch Proton Exchange Membrane für die oben genannten 3 Elektroden, die Montage sowie die elektrochemische Tests ausgeführt.
   7. Legen Sie die Arbeitselektrode und SCE Bezugselektrode in einem Abteil H-Zelle und Pt Folie Elektrode in die andere Kammer. Injizieren ~ 25 mL Elektrolyt in jedem Fach H-Zelle.
   8. Verbinden Sie die 3 Elektroden in H-Zelle mit dem elektrochemischen Arbeitsplatz für potentielle Kontrolle.
   9. Bubble-Elektrolyten mit N₂ bei 50.0 Sccm (von mass Flow Controller überwacht) für 30 min in Richtung N₂-0,1 M KHCO₃gesättigt.
   10. Zyklischer Voltammetrie (CV) Technik in EC-Lab Software auswählen, stellen Sie "E-Bereich (potenzielle)" als "-10 V bis 10 V", "Ich Range (aktuell)" als "Auto", führen 5 kontinuierliche CV-Scans von -0,5 V bis -1,8 V (gegen SCE) bei einer Abtastrate von 50 mV/s in N₂-0,1 M KHCO₃gesättigt.
   11. Ändern Sie in 50 Sccm CO₂ Gasstrom, warten Sie 30 Minuten in Richtung CO₂-0,1 M KHCO₃ Elektrolyt gesättigt und pflegen den gleichen CO₂ Fluss während der folgenden Elektrolyse.
   12. CV-Technik in EC-Lab Software auswählen, stellen Sie "E-Bereich (potenzielle)" als "-10 V bis 10 V", "Ich Range (aktuell)" als "Auto", führen 5 kontinuierliche CV-Scans von -0,5 V bis -1,8 V (gegen SCE) bei einer Abtastrate von 50 mV/s CO₂-0,1 M KHCO₃gesättigt.
   13. Verwenden einen pH Meter um die pH-Werte der Elektrolyte, dhzu bestimmen., 0,1 M KHCO₃ gesättigt mit N₂ oder CO₂.
   14. Konvertieren Sie alle Potentiale gemessen gegen SCE zu reversiblen Wasserstoff-Elektrode (RHE) Skala in dieser Arbeit mit E (Vs RHE) = E (gegen SCE) + 0.244 V + 0.0591 × pH.
   15. Bestimmen Sie Lösung Widerstand (R_u) im EC-Lab Software durch Auswahl Potentiostatischer elektrochemische Impedanz Spektroskopie (PEIS) Technik, dann eingestellte Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 200 kHz, Aufzeichnen des Widerstandswertes.
   16. Manuell kompensieren iR-drop als E (iR korrigiert Vs RHE) = E (Vs RHE) - R_u × ich (Ampere des aktuellen Durchschnitts).
2. CO₂ -Reduktion Produktanalyse durch Online-Gaschromatographen (GC)
   1. Beschäftigen Sie eine GC, ausgestattet mit einer Kombination von Molekularsieb 5A Spalten "und" Micropacked für die Gasanalyse Produkte während CO₂RR.
      Hinweis: Detaillierte GC-Säule-Typen finden Sie im beigefügten Tabelle der Materialien.
   2. Verwenden Sie eine Wärmeleitfähigkeit-Detektor (TCD), H₂ Konzentration zu quantifizieren und einem Flammenwächter Ionisation (FID) mit einer Methanizer zur quantitativen Analyse CO-Gehalt und/oder irgendeiner anderen Alkans Sorte.
   3. Verwenden Sie zwei verschiedene standard-Gase für die Kalibrierkurven H₂ und CO-Konzentration (H₂: 100 und 1042 ppm; CO: 100 und 496.7 ppm; ausgewogen mit Argon).
   4. Während der Elektrolyse, pflegen CO₂ -Gas-Durchfluss bei 50.0 Sccm, liefern CO₂ in der kathodischen Depot mit CO₂-gesättigten 0,1 M KHCO₃ Elektrolyt und Vent den Auspuff in GC.
   5. Schrittweise Melodie halten die Spannung an der Arbeitselektrode, von -0,3 bis -1,0 V vs. RHE, ~ 15 min für jede Potenzial und Aufzeichnung der entsprechenden Chronoamperimetric-Kurve.
   6. Bestimmen Sie die H-₂ und CO-Gehalt im Abgas von TCD und FID Signale bzw..
      Hinweis: Die Gasprodukte sind nach einer kontinuierlichen Elektrolyse von Stichprobe ~ 10 min unter jedes Potenzial. Die 50 Sccm CO₂ -Gas, gemischt mit kontinuierlich produziert H₂ und CO, floss durch die Probenahme-Schleife (1 mL) des GC während der Elektrolyse.
   7. Berechnen Sie die teilweise Stromdichte für ein bestimmtes Gas-Produkt als unten:
      
      wo X_ich der Volumenanteil des bestimmten Produkts durch Online-GC bezogen auf Kalibrierkurven bestimmt ist von zwei standard Gasproben (Scott und Airgas), V ist die Durchflussmenge von 50 Sccm, n_ich die Anzahl der Elektronen beteiligt, p₀ = 101,3 kPa und F ist die Faradaic-Konstante und R die Gaskonstante ist.
   8. Berechnen der entsprechenden Faradaic Wirkungsgrad (FE) bei jeder Potenzial als .
      Hinweis: Die insgesamt Faradaic Effizienz könnte in einem Bereich von 90 bis 110 % aufgrund der Fehler von Gas-Durchfluss, Stromdichte und Gasanalyse Konzentration auf GC.

Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Scan-Transmissions-Elektronenmikroskopie (STEM) und Energie-energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) sind Zuordnung Bilder zur Morphologie Charakterisierung von NiN-GS in Abbildung 1 dargestellt. Dreidimensionale Atom Sonde Tomographie (3D-APT) Ergebnisse sind für die direkte Identifizierung der einzelnen Ni Websites Verteilung als auch ihre benachbarten chemischen Umgebung in Abbildung 2 dargestellt. Für die Quantifizierung von CO₂RR-Gas-Produkte sind Online-elektrochemischen GC Messungen Setup und Ergebnis in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 1: Charakterisierung von Katalysatoren NiN-GS. (A) SEM Bild von verkohlten Electrospin Polymer NFs Maßstabsleiste: 5 μm (B) TEM Image von Kugel-gefrästen NiN-GS Katalysator. Die dunklen Punkte (hervorgehoben durch rote Kreise als Beispiele) gleichmäßig verteilt in der CNF sind Ni-Nanopartikeln (NPs). Maßstabsleiste: 200 nm. (C) Aberration korrigiert Stammzellen Bild ein Ni-NP eng gewickelt von ein paar Graphen-Schichten. Die Ni-NP ist ~ 20 nm im Durchmesser. Die GS ist ~ 10 nm dick. Die lagenabstand bemisst sich um 0,34 nm. Maßstab: 5 nm. (D) EDS Zuordnung von NiN-GS-Katalysator. Drei Ni-NPs beobachtet im Stamm Bild auf der linken Seite, die im Einklang mit dem Ni-Mapping-Bild eines der NPs durch den gelben Kreis angezeigt. NI-Signale wurden in den Bereichen Weg von der NPs, demonstrieren die erfolgreiche Einbeziehung der Ni-Atome in Graphene Schichten festgestellt. Maßstabsleiste: 20 nm. Diese Zahl wurde von Referenz 19 mit urheberrechtliche Genehmigung von Elsevier 2017 geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Atom-Sonde-Tomographie der NiN-GS Katalysator. (A) die 2D Atom-Karte von NiN-GS. Maßstab: 10 nm. (B) der projizierten 2D-Ansicht Ni Atome. Die grünen Bereiche repräsentieren Ni reiche Gebiete (> 50 %). Abseits der Ni-Quellen gibt es noch eine beträchtliche Anzahl von Ni Atome zerstreut im Bereich Carbon. Maßstab: 10 nm. (C) die Reliefkarte der Ni-Konzentration mit einem Intervall von 2 %. (D) vergrößert (oben) Seitenansicht und Draufsicht (unten) Graphen Schichten mit Ni einzelner Atome in Stellenangebote koordiniert. Nur ein Ni-Atom ist direkt mit einem N-Atom koordiniert. Skalieren Sie Bars: 1 nm. (E) Atom-Karte von den ausgewählten Bereich in Abbildung 2A durch den gelben Kreis darauf hingewiesen. Maßstab: 5 nm. (F) die Statistik für den ausgewählten Bereich in Abbildung 2E. Die meisten der Ni-Atome sind in einzelatom-Morphologie und 0,2 % von ihnen sind mit N Atomen koordiniert. Diese Zahl wurde von Referenz 19 mit urheberrechtliche Genehmigung von Elsevier 2017 geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: der GC Messung eingerichtet und ein Vertreter Beispiel dafür den gesamten Prozess der FE Messung. (A) 1. Massenflussregelung (MFC) für eine präzise 50 Sccm CO₂ Durchfluss. 2. CO₂ Gas strömt in die Zelle. 3. CO₂ Gas strömt aus dem Reaktor Gasprodukte zusammenzubringen. (4) das Gasgemisch füllt die Probenahme-Schleife des GC kontinuierlich. (5) die kontinuierliche Gasstrom wird überwacht durch die Luftblasen im Glas erzeugt. (B) Chronoamperometry von CO₂ -Reduktion unter-0.82 V Vs RHE. (C, D) TCD und FID Reaktionen auf die Gasprodukte. (E, F) TCD und FID-standard-Gas-Kalibrierung. (G) Lebensläufe der NiN-GS in CO₂ und N₂ gesättigten Elektrolyt, einen andere Reaktion Weg vorschlagen, wenn CO₂ vorhanden ist. (H) FEs H₂ und CO unter verschiedenen angewandten Potenziale für NiN-GS. Diese Zahl wurde von Referenz 19 mit urheberrechtliche Genehmigung von Elsevier 2017 geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

In den oben beschriebenen Elektrospinnen Prozess, zwei wichtige Schritte in materiellen Syntheseverfahren beachten: (1) Heizung die DMF-Mischung (Schritt 1.1.2), und (2) die Pumpe Rate einstellen (Schritt 1.2.2) um die Spinnen möglichst übereinstimmen. SEM Bild in Abbildung 1A zeigt die erhaltenen Kohlenstoff Nanofasern miteinander (~ 200 nm im Durchmesser). Sie wurden durch Kugel Fräsen für Charakterisierungen wie in Abbildung 1 bin kleine Stücke gebrochen. NI-Nanopartikel wurden in der Kohlenstoff Nanofasern gleichmäßig verteilt. Kohlenstoffatomen, die unter hoher Temperatur mit Ni legiert würde sich Niederschlag und wurden während der Abkühlung Prozess Form Graphene Schichten auf der Metalloberfläche Ni katalysiert. Ein näherer Betrachtung der Ni-NPS durch Aberration korrigiert Stamm in Abbildung 1 zeigt, dass die NP fest durch ein paar Schichten eingekapselt ist (~ 10 nm) des Graphen bestätigt die gemittelten lagenabstand von ~ 0,34 nm. Keine Ni-Cluster wurden innerhalb der GS beobachtet. Diese Schale Ni NP aus einen direkten Kontakt mit dem wässrigen Elektrolyten verhindert und kann so dramatisch sie unterdrücken. Die Existenz von Ni-Atome in der Oberfläche Shell bestätigte Energie dispersiven Röntgen-Spektroskopie (EDS) Zuordnung in Abbildung 1. Das Z-Kontrast STEM-Bild auf der linken Seite zeigt drei helle Bereiche repräsentieren drei Ni NPs mit einem von ihnen wies darauf hin, durch den gelben Kreis. Im Ni Zuordnung Bild (gekennzeichnet durch grüne Punkte), zusätzlich zu den NP-Regionen mit konzentrierter Signale Ni Gipfel wurde auch erkannt in den Nachbargebieten Kohlenstoff zeigen die erfolgreiche Einbeziehung der Ni-Atome in der GS. N-Dotierung hier spielt eine entscheidende Rolle bei der Schaffung von Mängeln in den Graphen-Schichten, die hilft, zu fangen und Bindung eine beträchtliche Anzahl von Ni-Atome in der GS. Die koordinierte Ni Atome innerhalb der Graphene Schichten in NiN-GS zeigten unterschiedliche Oxidationsstufen von Ni NPs unter fallenden Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie, was darauf hindeutet, das erfolgreiche tuning von Ni elektronischen Strukturen und damit die mögliche Tuning der seine katalytischen Aktivitäten. Jene Ni einzelner Atome in beengten Graphen Matrix gefangen Außerdem können nicht leicht bei praktischen Anwendungen, verschoben werden um die umgeht der Katalysator strukturelle Umbauten in rauen Reaktionsbedingungen.

Obwohl einige früheren Studien, CO_{2 vorgeschlagen}-zu-CO Katalyse auf Metall-Stickstoff-Kohlenstoff-Sites, einige Beweise bisher wurde berichtet, dass die einzelatom-Morphologie oder die Koordination Umwelt der aktiven Zentren zu demonstrieren. Hierin wird eine direkte Beweise für die Ni einzelner Atome in Graphen stellen koordiniert durch die dreidimensionale (3D) atomarer Auflösung Atom Sonde Tomographie (APT) Charakterisierung, gewonnen, die ist in der Lage zu erkennen, ob diese Ni-Atome isoliert einzelne Atome sind oder kleine Gruppen, und ob diese Ni atomaren Websites mit N abgestimmt sind. Das projizierte 2D Bild 3D Computertomographie der NiN-GS-Katalysator wurde in Abbildung 2Agezeigt. Jedes Pixel repräsentiert ein einzelnes Atom. Wie in Abbildung 2 b, Weg von den Gebieten mit konzentrierter Ni NPs gibt es auch eine beträchtliche Anzahl von Ni Atome zerstreut in Kohlenstoff, Einklang mit unserem EDX Mapping in Abbildung 1. Höhenlinienkarte mit einem Intervall von 2 % in Abbildung 2 bietet detaillierte Verteilungsinformationen Ni Atome im Katalysator, mit verringerter Ni Atom Konzentrationen von Ni-Quellen. Lokale Koordination Umgebung von Ni-Atomen wurde gezeigt, indem man einen genaueren Blick auf Graphene Schichten in Abb. 2D. Es gibt ein paar Ni einzelner Atome in Graphen stellen koordiniert eine direkte Nachweis der einzelnen Ni atomic Website. Keine Ni-Cluster wurden beobachtet. Darüber hinaus wir auch aufgefallen, dass gibt es einen Ni-Atom koordiniert mit einem N-Atom in Graphen Vakanz, schlägt ein kleines Verhältnis von Ni atomaren Websites mit N Atomen koordiniert. Weitere detaillierte Informationen über die umliegenden Koordinierung der Ni atomaren Websites aus Statistik und Quantitative Analyse (Abb. 2F) extrahiert werden können. Der ausgewählte Bereich mit verstreuten Ni Atome wird angegeben durch den gelben Kreis in Abbildung 2A und in Abbildung 2Evergrößert. Unter all den Ni-Atome in diesem Bereich sind 83 % von ihnen in einzelne Atome, ohne benachbarte Ni Atome näher als 2.2 Å. Darüber hinaus in diesen Ni einzelne Atome, nur 0,2 % von ihnen sind direkt mit koordiniert benachbarten N (weniger als 2 Å), was darauf hindeutet, dass die meisten Ni atomaren Orte mit C-Atomen koordiniert werden. Detaillierter experimentellen Ansatz einschließlich Synchrotron-basierte x-ray Absorption Spektroskopie Charakterisierung, in Situ elektrochemische abgeschwächt totale Reflexion Infrarot-Spektren (ATR-IR) mit CO als Oberflächen-Temperaturfühler, zusammen mit anderen Experimente Design und Dichte funktionale Theorie (DFT) Simulationen von CO₂-in-CO-Reduzierung über verschiedene Koordination Moieties erfolgen aktive Zentrum Ni einzelatom Seiten umfassend zu untersuchen und diese Ergebnisse finden in Jiang, K. Et al. ¹⁹.

Die elektrokatalytische CO₂RR Leistung der NiN-GS Katalysator, drop auf glasartige Kohlenstoff Stromabnehmer gegossen, in 0,1 M KHCO₃ Elektrolyt in einer angepassten H-Zelle durchgeführt. Gasprodukte werden analysiert, indem GC auf mögliche Schritte von 100 mV und weiter vergrößert, in 50 mV rund um den FE-Gipfel. Beachten Sie, dass die Konzentration des Gases Produkte kann durch Ändern der CO₂ Gas-Durchfluss (Schritt 2.2.4) abgestimmt werden und daher können die FE-Messungen auch für kleine Ströme zutreffen. Unter den Chronoamperometric-Test der CO₂ -Reduktion unter-0.82 V Vs RHE zum Beispiel (Abb. 3 b), nach der Gasstrom in Probenahme Schleife, H₂ geht bei ~5.5 min vom TCD und CO erkannt wird ist röntgenologisch bei ~ 12 min FID, entspricht einem CO-FE von ~ 93 % und H₂ FE ~ 12 %. Angesichts der vielfältigen CO₂RR Vertrieb, liefert die vorliegende Online-GC-Setup so wertvolle Informationen über die Echtzeitverfolgung Auspuff Inhalte während der Elektrolyse.

Zusammenfassend lässt sich sagen haben wir eine Methode zur Integration von Übergangsmetall-Atome in einer genau definierten zweidimensionalen Matrix und effektiv tuning ihrer elektronischen Strukturen und damit die Begünstigung der gewünschten CO₂RR Wege gezeigt. Das Protokoll der CO₂RR Gasanalyse Produkt bietet eine detaillierte und standard Methode um die Faradaic Effizienz der einzelnen Produkte genau zu messen. Angesichts der Vielfalt der einzelnen Atom-Katalysator-Anwendungen, bietet dieses Protokolls bestehend aus facile Katalysator Vorbereitung und Analyse von Online-Produkten eine wichtige Plattform für die Gestaltung von verschiedenen robusten einzelatom Übergangsmetallkatalysatoren, zu erfüllen effizienter erneuerbarer Energie Umwandlung und chemischen industriellen Anforderungen.

Diese Arbeit wurde von Rowland Fellows Program an der Rowland Institute der Harvard-Universität unterstützt. Diese Arbeit erfolgte teilweise in der Mitte für Nanoscale Systems (ZNS), Mitglied der nationalen Nanotechnologie Infrastrukturnetz, die von der National Science Foundation unter Award unterstützt wird keine. ECS-0335765. Das ZNS ist Teil der Harvard University.