Método de impresión de tipos móviles para sintetizar alta
Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 5071 (2022) Citar este artículo
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El anclaje controlable de múltiples átomos metálicos aislados en un solo soporte presenta oportunidades científicas y tecnológicas, mientras que la síntesis de catalizadores con múltiples átomos metálicos únicos sigue siendo un desafío y rara vez se ha informado. En este documento, presentamos una ruta general para anclar hasta once metales como centros de un solo átomo altamente dispersos en soportes de carbono porosos dopados con nitruro con el método de impresión de tipos móviles desarrollado, y etiquetarlos como catalizadores de un solo átomo de alta entropía. Varios catalizadores de un solo átomo de alta entropía con multicomponentes sintonizables se sintetizan con éxito con el mismo método ajustando solo las plantillas de impresión y los parámetros de carbonización. Para demostrar su utilidad, los catalizadores de un solo átomo de alta entropía quinaria (FeCoNiCuMn) se investigan como catalizadores de reacción de reducción de oxígeno con una actividad y una durabilidad mucho más positivas que los catalizadores comerciales de Pt/C. Este trabajo amplía la familia de catalizadores de un solo átomo y abre un camino para investigar catalizadores de un solo átomo altamente eficientes con múltiples composiciones.
Los catalizadores de un solo átomo (SAC) han atraído una enorme atención debido a sus ventajas intrínsecas, como sus propiedades geométricas y electrónicas únicas y la máxima utilización de átomos1,2,3,4,5,6. Se ha convertido en un campo en auge debido a su considerable rendimiento catalítico en varias reacciones industriales importantes, incluida la reacción de reducción de oxígeno (ORR)7,8,9, reacción de evolución de oxígeno (OER)10,11,12, reacción de evolución de hidrógeno (HER) 13,14,15, reformado de metano16,17,18, reacción de oxidación de metanol (MOR)19,20,21 y reacción de oxidación de etanol (EOR)22,23,24. Además, se han explorado numerosos métodos, como la migración a alta temperatura25,26, la pirólisis27,28, la deposición de capas atómicas29,30, la química húmeda31,32 y la deposición física33,34 para sintetizar SAC.
En los últimos años, se ha informado que algunos SAC típicos sin metales nobles o con metales muy inferiores poseen una actividad y durabilidad impresionantes que son incluso comparables con los catalizadores basados en metales nobles, lo que demuestra un gran potencial para la aplicación práctica. Además, también se ha informado que los catalizadores duales o binarios de un solo átomo (BSAC, por sus siglas en inglés) exhiben un mejor rendimiento que sus contrapartes de SAC individuales correspondientes debido a los efectos sinérgicos existentes, en los que el rendimiento de los SAC anfitriones puede ser modulado aún más por el otro SAC único. -átomos metálicos. Wang et al. informaron SAC de sitio metálico dual atómico aislado de Fe-N4/Pt-N4, y Pt-N4 actuó como modulador para ajustar la estructura electrónica del sitio activo de Fe-N4, promoviendo de manera eficiente la actividad ORR de los sitios de un solo átomo de Fe-N49 . Fan et al. Sintetizó BSAC de Co2-N6 y Fe-N4 dispersos atómicamente, y la existencia de Co2-N6 sintoniza de manera eficiente la estructura electrónica de Fe-N4, induciendo un mayor grado de llenado de orbitales de Fe-d y optimizando la capacidad de unión con intermediarios *OH35. Además, los BSAC también juegan un papel importante en los catalizadores bifuncionales (como ORR y OER) debido a los múltiples centros activos de los BSAC. Por ejemplo, Ma et al. Prepararon BSAC de Ni-N4/GHSs/Fe-N4, donde Ni-N4 y Fe-N4 se encuentran en las partes interna y externa de los soportes de carbono hueco, respectivamente, realizando una buena actividad hacia ORR y OER36. En combinación con los resultados de los cálculos experimentales y teóricos, Fe-N4 y Ni-N4 se confirman como los sitios activos de ORR y OER, respectivamente. Hu et al. informaron BSAC Co-N4 y Fe-N4 contiguos anclados en carbono dopado con N (FeCo-BSAC/NC), con buena actividad tanto en ORR como en OER37. Los cálculos teóricos revelan que Fe-N4 y Co-N4 actúan como centros activos de ORR y OER, respectivamente, y los efectos sinérgicos de Fe-N4 y Co-N4 optimizan aún más el centro de la banda d del metal y mejoran la electrocatalítica. actuación.
Además, como predijeron Beller et al. que el próximo avance de los SAC será la preparación de SAC bi/multimetálicos debido a sus enormes aplicaciones potenciales en muchas reacciones38. Sin embargo, solo ha habido algunos trabajos sobre la preparación y aplicación de los BSAC, mientras que los SAC multimetálicos, de los que se puede esperar que muestren un rendimiento y funcionalidades más atractivos, rara vez se han informado. Esto se atribuye principalmente a los enormes obstáculos para la coexistencia de varios metales en la dispersión atómica con propiedades químicas/físicas obviamente diferentes. Por lo tanto, es difícil estabilizar múltiples átomos metálicos aislados en un solo soporte debido al entorno de coordinación desigual entre varios átomos metálicos y tipos de sitios de anclaje. Por lo tanto, desarrollar un método general y altamente eficiente que pueda controlar los SAC con centros multimetálicos es urgentemente deseable pero desafiante.
En este trabajo, desarrollamos un método general de impresión de tipos móviles para sintetizar múltiples SAC metálicos con hasta once elementos metálicos diferentes mediante la transferencia de átomos metálicos individuales de plantillas de impresión a soportes de carbono porosos dopados con nitruro (definimos los SAC con más de cinco elementos metálicos en un solo catalizador como catalizadores de un solo átomo de alta entropía (HESAC)). Los átomos de metal individuales se transfieren punto a punto desde las plantillas de impresión a los soportes de carbono bajo calentamiento (ver "Sección experimental"), lo que da como resultado mezclas uniformes de múltiples elementos. Como era de esperar, los HESAC preparados tienen características típicas de átomos de un solo metal uniformemente dispersos, a pesar de estar expuestos a muchos otros metales que convencionalmente causan agregación. Al ajustar la cantidad y los tipos de plantillas de impresión y la temperatura de pirólisis, también producimos HESAC de cinco a once metales. En particular, como ejemplo, el catalizador preparado de HESAC quinario (FeCoNiCuMn) muestra una buena actividad y durabilidad tanto para el ORR como para las baterías de zinc-aire ensambladas. El sólido rendimiento de ORR del catalizador quinario HESAC (FeCoNiCuMn) debe atribuirse a los abundantes sitios activos y los efectos sinérgicos entre los diferentes sitios activos.
El proceso del método de impresión de tipos móviles para sintetizar HESAC dispersos uniformemente se muestra en la Fig. 1a y la Fig. 1 complementaria. En resumen, los precursores de metal y la melamina se mezclan uniformemente y se recocen en el aire para preparar las plantillas de impresión (indicadas como el Mg-C3N4, Figura complementaria 2-3). Luego, el clorhidrato de dopamina se revistió primero en las plantillas de impresión preparadas y, posteriormente, los átomos metálicos se excitaron y se eliminaron de Mg-C3N4 a alta temperatura de pirólisis, que fueron simultáneamente capturados y estabilizados por los defectos y las especies de nitrógeno de los soportes de carbono. resultando en HESAC.
a Ilustración del método de impresión de tipos móviles para preparar HESAC. b, c HAADF-STEM y (d) imágenes AC HAADF-STEM de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn), (e) imágenes STEM-EDS de los HESAC preparados (de HESAC quinarios a undecimales, la barra de escala es de 200 nm).
Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y TEM de barrido de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF-STEM) revelan que la estructura de carbono de los HESAC preparados está muy desordenada, y no se pueden observar grupos metálicos y/o nanopartículas en el soportes de carbono (Fig. 1b, c y Fig. 4 complementaria). Además, los patrones XRD de los HESAC preparados solo muestran picos de carbono sin señales metálicas (Fig. 5 complementaria). La dispersión atómica de los átomos de metal se observa aún más utilizando HAADF-STEM corregido por aberración (AC HAADF-STEM). Los puntos brillantes corresponden a los sitios metálicos dispersos atómicamente, que están dispersos homogéneamente en los soportes de carbono (Fig. 1d y Fig. 6 complementaria). Además, las imágenes de mapeo de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) muestran que el nitrógeno y los metales son uniformes en todos los soportes de carbono (Fig. 1e). Los resultados proporcionan una evidencia clara de la estrategia de síntesis propuesta para sintetizar con éxito de HESAC quinario a undecimal. Como ejemplo, la carga de metal de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) se caracteriza por la medición de espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS), y la carga total de metal de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) es 1,47% en peso (Tabla complementaria 1) .
Para identificar aún más la estructura electrónica, el estado químico y el entorno de coordinación de los HESAC preparados a nivel atómico, se realizan en los HESAC la absorción de rayos X cerca de la estructura del borde (XANES) y la estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS). Como ilustración, los resultados de XANES y EXAFS de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) y los materiales estándar se muestran en la Fig. 2. Las energías de absorción del borde K de los cinco elementos metálicos están todas ubicadas entre las especies estándar de la lámina metálica y el metal. óxido, lo que indica que las especies metálicas de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) exhiben un estado de valencia positivo (Fig. 2a, d, g, j, m). Los resultados de ajuste basados en las energías de borde de los cinco elementos metálicos y las especies estándar (lámina metálica y óxido metálico) indican que el estado de oxidación de Fe, Co, Ni, Cu, Mn en HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) es 2.74, 1.70, 1.95, 0.34, 1.82 (Fig. 7 complementaria), consistente con los resultados de XPS (Fig. 8 complementaria). La Figura 2b, e, h, k, n muestra las transformaciones de Fourier de los espectros EXAFS (espacio R) de las especies de metal y estándar, y se observa un pico dominante correspondiente a la capa de coordinación MN para los cinco elementos, lo que proporciona evidencia sólida que las especies metálicas de los HESAC preparados se encuentran principalmente en estado de átomos metálicos aislados. Los resultados de ajuste EXAFS y los parámetros de ajuste también confirman que los átomos metálicos aislados se coordinaron con átomos de N, formando una estructura MN típica (Fig. 2b, e, h, k, n y Tabla complementaria 2). Además, además de la dominación de las especies MN, también se observan algunas señales de estado metálico a partir de los datos EXAFS, que pueden atribuirse a pequeños grupos de metales causados por la gran cantidad de metales. Además, la configuración atómica de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) se investiga más a fondo mediante la transformada de wavelet de borde K (WT)-EXAFS de metal (p. ej., Fe, Co, Ni, Cu, Mn) y se compara con las señales WT del lámina de metal, no se pudo observar ninguna señal de coordinación metal-metal en los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn), sin embargo, se observó una señal de MN clara y brillante en los cinco elementos de los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn), lo que identificó aún más la característica aislada de las especies metálicas en HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) (Fig. 2c, f, i, l, o).
a, d, g, j, m Espectros XANES (b, e, h, k, n) del borde K de Fe, borde K de Co, borde K de Ni, borde K de Cu y borde K de Mn, ( c, f, i, l, o) WT para las señales EXAFS de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) y las muestras de referencia.
El método de impresión de tipos móviles permite diversas composiciones de HESAC uniformes, que presentan un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones. Como prueba de concepto, demostramos los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) como un electrocatalizador avanzado para la reacción de reducción de oxígeno (ORR), que es el paso clave en muchos dispositivos de conversión y almacenamiento de energía (como pilas de combustible y baterías de metal-aire). Según el análisis de Brunauer-Emmett-Teller (BET), HESAC (los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn) se simplifican como "HESAC" en la sección de mediciones electrocatalíticas) posee un área específica alta y un volumen de poros de 339,3 m2 g−1 y 1,8 cm3 g−1, respectivamente (Fig. 9 complementaria). La alta área de superficie específica y la rica estructura de poros del catalizador HESAC son beneficiosas para promover la transferencia de masa y exponer más sitios activos39,40,41,42. Además, el valor ID: IG del HESAC preparado es tan alto como 1.076, y un valor alto generalmente indica más defectos en los materiales de carbono, que también proporcionan más sitios anclados para átomos de un solo metal y sitios activos para el proceso de reacción (Complemento complementario). Fig. 10, resultado Raman). El rendimiento de ORR del catalizador HESAC preparado se midió en una solución de KOH 0,1 M saturada con O2, Pt/C y soportes de carbono dopados con nitruro (también llamados NC) también se probaron como puntos de referencia. La actividad ORR de HESAC es más positiva que la de Pt/C en términos de potencial de inicio (Eonset), potencial de media onda (E1/2) y densidad de corriente cinética ([email protected] V vs. RHE) (Fig. 3a, b, y Tabla Suplementaria 3). El Eonset, E1/2 y jk del HESAC son 0,999 V, 0,887 V y 3,114 mA cm−2, que son 17 mV, 21 mV y 1,151 mA cm−2 más altos que los de Pt/C, respectivamente. Para excluir la influencia de los soportes de carbono en el rendimiento ORR del catalizador HESAC, se prepara un catalizador NC mediante un procedimiento igual al del catalizador HESAC sin los precursores metálicos. Como se esperaba, el rendimiento de ORR de NC puro es muy pobre (Fig. 3a, b y Tabla complementaria 3), lo que confirma que el buen rendimiento de ORR del HESAC debe atribuirse a la cooperación de los metales atómicos.
a curvas LSV, (b) comparación de E1/2 y jk, y (c) pendientes Tafel de HESAC, NC y Pt/C, (d) RRDE y (e) datos de durabilidad de HESAC preparado, (f) CA resultados del HESAC y Pt/C, (g) diagrama esquemático de ZAB ensamblado (la imagen interior AC HAADF-STEM es HESAC quinario (FeCoNiCuMn)), (h) polarización y curvas de potencia y (i) capacidad específica del HESAC- ZAB basado en Pt/C y basado en Pt/C (la imagen interior muestra el ZAB basado en HESAC en serie para alimentar la pantalla LED).
La pendiente de Tafel del catalizador HESAC (81 mV dec-1) es cercana a la del Pt/C (72 mV dec-1), lo que indica que el catalizador HESAC tiene un proceso cinético de ORR rápido (Fig. 3c). Además, el número de transferencia y el rendimiento de peróxido del catalizador HESAC preparado se evaluaron mediante mediciones de electrodo de disco de anillo giratorio (RRDE). El número de transferencia electrónica es cercano a 4, y se obtiene un bajo rendimiento de peróxido en el rango potencial de 0,20-0,95 V para el catalizador HESAC, lo que revela un proceso ORR de cuatro electrones dominante del catalizador HESAC durante el proceso ORR (Fig. 3d ). Más importante aún, casi no hay disminución de la actividad del catalizador HESAC en términos de E1/2 y jk después de la prueba de durabilidad acelerada (ADT) (Fig. 3e). Además, el decaimiento actual del catalizador HESAC es solo del 6,67 % después de pruebas de cronoamperometría durante más de 25 000 s (Fig. 3f). Por el contrario, Pt/C muestra una grave disminución del rendimiento con las mismas condiciones de prueba de durabilidad y estabilidad que el catalizador HESAC, lo que indica la robusta durabilidad y estabilidad del catalizador HESAC preparado (Fig. 3f, Fig. 11 complementaria, Tabla complementaria 4). Además, se observa que el rendimiento de ORR del catalizador HESAC es superior a la mayoría de los catalizadores SAC informados, lo que indica las ventajas de los HESAC propuestos (Tabla complementaria 5).
Para revelar profundamente los efectos sinérgicos de los diferentes sitios activos de MN del HESAC preparado, se diseñan experimentos más controlables. El SAC, el SAC binario (BSAC), el SAC ternario (TSAC) y el SAC cuaternario (QSAC) se sintetizan con un método similar al de los HESAC preparados. A modo de comparación, también preparamos otros tipos de SAC binario (BSAC), SAC ternario (TSAC) y SAC cuaternario (QSAC) a través de la mezcla física controlable del SAC correspondiente, que se denominan BSAC-P, TSAC-P, QSAC-P. , respectivamente. El rendimiento de ORR de los catalizadores mencionados anteriormente se muestra en la Fig. 12 complementaria y la Tabla complementaria 6. Para una comparación justa, los centros activos de los catalizadores se controlan en el mismo sistema de metal. Por ejemplo, el rendimiento ORR de FeCoNi-TSAC/NC solo se compara con FeCo-BSAC/NC, CoNi-BSAC/NC, FeNi-BSAC/NC, Fe-SAC/NC, Co-SAC/NC, Ni-SAC /Catalizadores NC, sin ningún otro centro activo. El rendimiento de ORR de los catalizadores preparados sigue el orden de HESAC > QSAC > TSAC > BSAC > SAC, lo que indica que los HESAC exhiben la mejor actividad de ORR. Además, también encontramos que el rendimiento ORR de BSAC, TSAC y QSAC es mucho más alto que el de BSAC-P, TSAC-P y QSAC-P, respectivamente, cuando la carga de metal de la tinta de catalizadores se controla en nivel similar. Además de los sitios activos metálicos aislados, hay otros contribuyentes activos de los preparados BSAC, TSAC, QSAC y HESAC, que deben atribuirse a los efectos sinérgicos de los diferentes sitios activos en los catalizadores anteriores. Eso proporciona una evidencia más del avance de los HESAC propuestos.
Para validar la aplicación potencial de los catalizadores HESAC preparados, se aplicó HESAC como catalizador de cátodo de aire para los ZAB ensamblados (Fig. 3g). Como se muestra en la Fig. 3h, el ZAB basado en HESAC ensamblado muestra un rendimiento ZAB impresionante, con una densidad de potencia máxima de hasta 195 mW cm−2, que es aproximadamente 1,4 veces mayor que el ZAB basado en Pt/C (138 mW·cm−2). La capacidad específica del ZAB basado en HESAC alcanzó los 810 mAh g-1, que es 121 mAh g-1 más alta que la del ZAB basado en Pt/C (689 mAh g-1) (Fig. 3i). Además, el ZAB basado en HESAC puede funcionar de manera estable durante más de 81 h sin una disminución obvia en el voltaje de descarga, lo que también revela que el ZAB basado en HESAC posee una estabilidad de descarga impresionante (Fig. 13 complementaria). Además, tres ZAB basados en HESAC ensamblados conectados en serie pueden alimentar una pantalla de diodo emisor de luz (LED) (Fig. 3i). Todos los resultados confirman que el HESAC preparado muestra un buen rendimiento de ORR en los niveles de electrodo de disco giratorio (RDE) y ZAB, lo que revela un alto potencial en aplicaciones prácticas de los catalizadores HESAC propuestos.
Además, los HESAC propuestos suelen tener más tipos de centros de un solo metal, muestran una gran variedad de centros activos y ofrecen además una actividad multifuncional. Además del rendimiento de ORR, los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn) también se utilizan para catalizar la oxidación de metano y la reducción electroquímica de CO2 (ECR). Los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn) exhiben la mejor actividad hacia la oxidación del metano, con una mayor producción de CH3OH (34,78 mmol g-1 h-1) que los otros catalizadores SAC preparados (Figura complementaria 14). Además, la ECR de los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn) se probó en la celda H, las producciones se identificaron como H2 y CO, y el FECO es estable en aproximadamente el 50% (Fig. 15 complementaria). Como todos sabemos, el CH3OH, el CO y el H2 son las materias primas sintéticas más utilizadas en la industria, y el catalizador de HESAC quinario preparado (FeCoNiCuMn) puede impulsar fácilmente la reacción para producir productos químicos de valor agregado. Todos los datos confirman que los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn) son un catalizador potencialmente eficiente tanto para la oxidación del metano como para la ECR, lo que también proporciona evidencia sólida de la presencia de múltiples tipos de centros activos en los HESAC propuestos. Sin embargo, la actividad de los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn) para la oxidación de metano y ECR no es tan buena como la de los catalizadores informados recientemente, lo que puede deberse a la baja carga de metal de los HESAC quinarios preparados (FeCoNiCuMn), y nuestro próximo trabajo será centrarse en mejorar la carga de metal de los HESAC y dar como resultado catalizadores multifuncionales de alta eficiencia.
En este trabajo, propusimos el concepto de HESAC, en el que cinco o más átomos de un solo metal pueden coexistir de manera uniforme y estable en un solo soporte. Las muestras de HESAC quinarios a undecimales se sintetizaron con éxito mediante el método de impresión de tipos móviles desarrollado. Como ejemplo, el catalizador HESAC quinario preparado (FeCoNiCuMn) muestra un rendimiento catalítico ORR más positivo que el del catalizador Pt/C y funciona bien en aplicaciones reales de baterías de zinc-aire. La propuesta de HESACs no solo enriquece los tipos de familias SAC, sino que también abre ideas para el desarrollo y aplicación eficiente de SACs. Además, el método de impresión de tipos móviles propuesto proporciona una buena plataforma para estudiar HESAC. Varios elementos metálicos con diferentes propiedades intrínsecas pueden vivir en armonía y existir en forma de átomos individuales en un solo soporte, con las siguientes características: (1) procesamiento sin equilibrio, donde los átomos metálicos individuales dispersos se transfieren directamente punto a punto a los soportes por un método de impresión de tipos móviles, evitando así la aglomeración de los metales; (2) síntesis controlable, donde los HESAC quinarios a undecimales pueden sintetizarse fácil y fácilmente mediante el método propuesto. El método de impresión de tipos móviles propuesto proporciona una vía general y eficiente para el diseño racional de HESAC, lo que brinda la oportunidad para la aplicación práctica de SAC en diversas reacciones relacionadas con la energía.
Melamina, FeCl3·6H2O, CrCl3·6H2O, MnCl2·4H2O, NiCl2·6H2O, CoCl2·6H2O, CuCl2·2H2O, H2PtCl6·6H2O, PdCl2, RuCl3, IrCl3, RhCl3·3H2O, Tris-HCl, KOH, clorhidrato de dopamina, HCl , KHCO3 y nitruro de boro se adquirieron de Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. Se obtuvo 20% Pt/C de Johnson Matthey (JM) Corp. La membrana Nafion-117 y la solución de Nafion (5% en peso) se obtuvieron de DuPont. Todos los químicos fueron usados sin purificación adicional. Todas las soluciones acuosas se prepararon con agua desionizada (DI) con una resistividad de 18,2 MΩ.
A una mezcla de 120 ml de agua DI y 30 ml de HCl a 110 °C se adicionó 9 g de melamina y 0.1 g de FeCl3·6H2O bajo agitación vigorosa, este paso se detendrá mientras se evapora el solvente. Posteriormente, el sólido obtenido se recoció a 550 °C durante 2 h en una atmósfera de aire. La muestra final se denominó Fe-g-C3N4.
El Cr-g-C3N4, Co-g-C3N4, Ni-g-C3N4, Cu-g-C3N4, Mn-g-C3N4, Pt-g-C3N4, Pd-g-C3N4 Ru-g-C3N4, Rh- g-C3N4 e Ir-g-C3N4 se prepararon mediante un método similar con Fe-g-C3N4, excepto la masa del precursor metálico de Cr-g-C3N4, Co-g-C3N4, Ni-g-C3N4 , Cu-g-C3N4, Mn-g-C3N4, Pt-g-C3N4, Pd-g-C3N4 Ru-g-C3N4, Rh-g-C3N4 e Ir-g-C3N4 se cambió a CrCl3·6H2O (0,1 g), CoCl2·6H2O (0,1 g), NiCl2·6H2O (0,1 g), CuCl2·2H2O (0,1 g), MnCl2·4H2O (0,1 g), H2PtCl6·6H2O (0,015 g), PdCl2 (0,02 g), RuCl3 (0,02 g), RhCl3·3H2O (0,02 g), IrCl3 (0,02 g), respectivamente.
Los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn) se sintetizaron utilizando las plantillas de impresión deseadas (0,15 g de Fe-g-C3N4, 0,15 g de Co-g-C3N4, 0,1 g de Ni-g-C3N4, 0,1 g de Cu-g-C3N4, 0,1 g de Mn-g-C3N4) y 0,7 g de clorhidrato de dopamina disueltos en Tris-HCl. Las plantillas de impresión se dispersaron ultrasónicamente en 50 ml de Tris-HCl. Después de 60 min, se añadieron 0,7 g de clorhidrato de dopamina a la solución de la mezcla con agitación vigorosa. Después de 24 h, los productos de reacción se obtuvieron por filtración y se secaron en un horno de vacío durante 24 h. Y luego, los productos sólidos obtenidos se recocieron a 900 °C durante 2 h para preparar el producto final.
La síntesis de otros HESAC es la misma que la de los HESAC quinarios (FeCoNiCuMn), excepto que la cantidad requerida de plantillas de impresión relacionadas y la temperatura de pirólisis se ajustan adecuadamente.
Se dispersó ultrasónicamente Fe-g-C3N4 (0,15 g) en 50 ml de solución de Tris-HCl. Después de 60 min, se añadieron 0,7 g de clorhidrato de dopamina a la solución de la mezcla con agitación vigorosa. Después de 24 h, los productos de reacción se obtuvieron por filtración y se secaron en un horno de vacío durante 24 h. Y luego, los productos sólidos obtenidos se recocieron a 900 °C durante 2 h para preparar el producto final, y el producto final se etiquetó como Fe-SAC/NC.
La preparación de Co-SAC/NC, Ni-SAC/NC, Cu-SAC/NC y Mn-SAC/NC es la misma que la de Fe-SAC/NC, excepto Co-g-C3N4 (0,15 g), Ni -g-C3N4 (0,10 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) y Mn-g-C3N4 (0,10 g) se utilizó como plantillas de impresión de Co-SAC/NC, Ni-SAC/NC, Cu- SAC/NC y Mn-SAC/NC, respectivamente.
Se dispersaron ultrasónicamente Fe-g-C3N4 (0,15 g) y Co-g-C3N4 (0,15 g) en 50 ml de solución de Tris-HCl. Después de 60 min, se añadieron 0,7 g de clorhidrato de dopamina a la solución de la mezcla con agitación vigorosa. Después de 24 h, los productos de reacción se obtuvieron por filtración y se secaron en un horno de vacío durante 24 h. Y luego, los productos sólidos obtenidos se recocieron a 900 °C durante 2 h para preparar el producto final, el producto final se etiquetó como FeCo-DSAC/NC.
La preparación de FeCu-DSAC/NC y CoNi-DSAC/NC es la misma que la de FeCo-DSAC/NC, excepto Fe-g-C3N4 (0,15 g) y Cu-g-C3N4 (0,10 g), Co-g- Se utilizaron C3N4 (0,15 g) y Ni-g-C3N4 (0,10 g) como plantillas de impresión de FeCu-DSAC/NC y CoNi-DSAC/NC, respectivamente.
Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g) y Mn-g-C3N4 (0,10 g) se dispersaron ultrasónicamente en 50 ml de solución Tris-HCl. Después de 60 min, se añadieron 0,7 g de clorhidrato de dopamina a la solución de la mezcla con agitación vigorosa. Después de 24 h, los productos de reacción se obtuvieron por filtración y se secaron en un horno de vacío durante 24 h. Y luego, los productos sólidos obtenidos se recocieron a 900 °C durante 2 h para preparar el producto final, y el producto final se etiquetó como FeCoMn-TSAC/NC.
La preparación de FeCuMn-TSAC/NC es la misma que la de FeCoMn-TSAC/NC, excepto Fe-g-C3N4 (0,15 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) y Mn-g-C3N4 (0,10 g) se utilizaron como plantillas de impresión de FeCuMn-TSAC/NC.
Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) y Mn-g-C3N4 (0,10 g) se dispersaron ultrasónicamente en 50 ml de solución Tris-HCl . Después de 60 min, se añadieron 0,7 g de clorhidrato de dopamina a la solución de la mezcla con agitación vigorosa. Después de 24 h, los productos de reacción se obtuvieron por filtración y se secaron en un horno de vacío durante 24 h. Y luego, los productos sólidos obtenidos se recocieron a 900 °C durante 2 h para preparar el producto final, el producto final se etiquetó como FeCoCuMn-QSAC/NC.
La preparación de FeCoNiCu-QSAC/NC y FeCoNiMn-QSAC/NC es la misma que la de FeCoCuMn-QSAC/NC, excepto Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g), Ni-g- C3N4 (0,10 g), Cu-g-C3N4 (0,10 g) y Fe-g-C3N4 (0,15 g), Co-g-C3N4 (0,15 g), Ni-g-C3N4 (0,10 g), Mn-g -C3N4 (0,10 g) se utilizaron como plantillas de impresión de FeCoNiCu-QSAC/NC y FeCoNiMn-QSAC/NC, respectivamente.
El TEM y el HRTEM se probaron con un Thermo Scientific Talos F200X G2 operado a 200 keV. AC HAADF-STEM se probó con un TEM de emisión de campo FEI Titan G2 60–300 corregido por aberración (FEI, EE. UU.), operado a 300 keV (αmax = ~ 100 mrad). La DRX se realizó en un difractómetro de polvo HAOYUAN (DX-2700BH) operado a 60 kV y 50 mA, utilizando una fuente de radiación Cu-K. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) se realizó en un espectrómetro de fotoelectrones de rayos X Thermo Scientific K-Alpha que emplea una fuente de rayos X monocromática Al-K (hν = 1486,6 eV). Los espectros Raman se registraron en el espectrómetro Raman de Horiba Scientific ambiental utilizando la línea de excitación a 532 nm de un láser de diodo. La carga de metal se determinó utilizando ICP-MS (Agilent ICPMS 7700).
Los espectros de estructura fina de absorción de rayos X (XAFS) se recopilaron en la línea de luz 1W1B de la instalación de radiación de sincrotrón de Beijing (BSRF). Las muestras analizadas se prepararon presionando el catalizador y el nitruro de boro. Los datos se recolectaron en modo de fluorescencia utilizando un detector Lytle y las muestras de referencia correspondientes se recolectaron en modo de transmisión.
Los datos XAFS adquiridos se procesaron de acuerdo con los procedimientos estándar utilizando el módulo ATHENA de los paquetes de software Demeter. Para obtener los parámetros estructurales cuantitativos alrededor de los átomos centrales, se realizó el ajuste de parámetros de la curva de mínimos cuadrados utilizando el módulo ARTEMIS de los paquetes de software Demeter.
Se utilizó la siguiente ecuación EXAFS:
En resumen, las pruebas de rendimiento de ORR se realizaron en la estación electrocatalítica Gamry 1010E. Se aplicó un electrodo de carbón de vidrio (GCE), una varilla de carbón y Hg/HgO como electrodo de trabajo, contraelectrodo y electrodo de referencia, respectivamente. El electrolito estaba compuesto por KOH 0,1 M. La tinta de catálisis se preparó mediante una dispersión uniforme de 5 mg de catalizadores, 970 μL de etanol y 30 μL de Nafion. Después de eso, deje caer 7 μL de la tinta de catálisis en el GCE para obtener el electrodo de trabajo de prueba. Las curvas LSV se registraron a 1600 revoluciones por minuto (rpm)) con una velocidad de exploración de 5 mV·s−1 en KOH 0,1 M saturado con O2. Se aplicó el método de prueba de durabilidad acelerada (ADT) para probar la durabilidad, con un ciclo de potencial de 20 000 ciclos de 0,6 a 1,0 V a 100 mV s−1. Las estabilidades del catalizador se estudiaron por cronoamperometría (CA) a 0,6 V vs RHE en un electrolito saturado de O2.
Se midieron las mediciones del electrodo de disco de anillo giratorio (RRDE) de las muestras para estudiar la selectividad de cuatro electrones. El electrodo de anillo de Pt estaba polarizado a 1,1 V frente a RHE. El rendimiento de H2O2 y n por molécula de oxígeno se calcularon mediante las siguientes ecuaciones:
donde ID e IR son las corrientes de disco y anillo, respectivamente. N es la eficiencia de recolección de corriente del anillo (37%).
Todos los potenciales en este trabajo se citan con respecto a un electrodo de hidrógeno reversible (RHE). Los potenciales en las curvas LSV en este estudio están sujetos a compensación iR.
El ZAB se fabricó de la siguiente manera: una placa de Zn pulida, papel carbón cargado con catalizadores (1 mg cm−2) y una solución de mezcla de KOH 6 M y Zn(Ac)2 0,2 M como ánodo, cátodo y electrolito, respectivamente. Se utilizó una estación de trabajo electroquímica Gamry 1010E para registrar las curvas de polarización. La curva de polarización de descarga se realizó en el sistema de prueba de baterías LANHE (CT2001A). La densidad de potencia específica se calculó mediante P = j * E, en la que P es la densidad de potencia, j es la densidad de corriente, E es el voltaje.
La oxidación directa del metano se llevó a cabo en un autoclave de 50 ml que contenía 10 ml de solución de catalizador. El autoclave se selló y purgó tres veces con gas que contenía argón y la presión se mantuvo en una mezcla de gases de 3,0 MPa (H2: 3,3 %, O2: 6,6 %, CH4: 1,6 %, Ar: 61,7 % y He: 26,8 %). la mezcla se agitó a 1200 rpm y se calentó a 70 °C con una rampa de 1,5 °C min−1 y se mantuvo durante 0,5 h. Al final de la reacción, el autoclave se mantuvo en agua con hielo durante 2 h para minimizar la pérdida de productos volátiles.
Las pruebas electroquímicas se realizaron en una estación de trabajo (CHI 760E). Para los experimentos de electrólisis se usó un reactor de celda H hermético a los gases segregado con una membrana de Nafion-117. En la cámara catódica (100 mL), un GCE tipo L y Ag/AgCl sirvieron como electrodo de trabajo y de referencia, respectivamente. Una lámina de Pt en la cámara anódica (100 ml) sirvió como contraelectrodo. Cada cámara contenía 50 ml de electrolito KHCO3 (0,1 M, pH = 6,8). El dióxido de carbono se purgó continuamente (30 mL min-1) durante el proceso de ECR. Todos los potenciales se recalcularon en RHE mediante ERHE = EAg/AgCl + 0,1989 + 0,0591 × pH según la ecuación de Nernst, a menos que se indique lo contrario.
La eficiencia energética catódica (EE) se calculó de la siguiente manera:
donde E0, FE y E representaron el potencial estándar, la eficiencia faradaica y el potencial aplicado, respectivamente.
Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el manuscrito y su información complementaria. Los datos de origen se proporcionan con este documento.
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Descargar referencias
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (22109034, 22109035, 52164028, 62105083), la Fundación de Ciencias Postdoctorales de la provincia de Hainan (RZ2100007123), el Fondo Especial de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Hainan (ZDYF2021GXJS207, ZDYF2020037, ZDYF202020 7), el Fundación del Laboratorio Estatal Clave de Utilización de Recursos Marinos en el Mar Meridional de China (Universidad de Hainan, Subvención No. MRUKF2021029) y la Fundación de Investigación de Puesta en Marcha de la Universidad de Hainan (KYQD(ZR)−20008, 20082, 20083, 20084, 21065, 21124 , 21125), y el fondo de investigación específico de la Plataforma de Innovación para Académicos de la Provincia de Hainan. Los autores también agradecen a Beijing Synchrotron Radiation Facility (línea de luz BL1W1B) por proporcionar el tiempo de haz.
Laboratorio Estatal Clave de Utilización de Recursos Marinos en el Mar Meridional de China, Laboratorio Provincial Clave de Química Fina de Hainan, Escuela de Ingeniería Química y Tecnología, Universidad de Hainan, Haikou, 570228, China
Peng Rao, Junming Luo, Peilin Deng, Jing Li, Yijun Shen y Xinlong Tian
Escuela de Ingeniería Ambiental y de Seguridad de Recursos, Universidad del Sur de China, Hengyang, 421001, China
Yijie Deng
Laboratorio Nacional de Energía Limpia de Dalian, Laboratorio Estatal Clave de Catálisis, iChEM, Instituto de Física Química de Dalian, Academia de Ciencias de China, Dalian, 116023, China
Abanico Wenjun
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XT, PR y YD concibieron y diseñaron la investigación. PR realizó la síntesis, las mediciones electroquímicas y las caracterizaciones. WF llevó a cabo mediciones y análisis de XAS. JL, PD, JL e YS ayudaron a analizar los datos y modificar el documento. PR y XT coescribieron el artículo. El proyecto fue supervisado por XT
Correspondencia a Xinlong Tian.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
Nature Communications agradece a Qiong Cai y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.
Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.
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Reimpresiones y permisos
Rao, P., Deng, Y., Fan, W. et al. Método de impresión de tipos móviles para sintetizar catalizadores de un solo átomo de alta entropía. Nat Comun 13, 5071 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32850-8
Descargar cita
Recibido: 14 de marzo de 2022
Aceptado: 22 de agosto de 2022
Publicado: 29 de agosto de 2022
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32850-8
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