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Nitrogen Reduction Testing with Real-Time 15NH3 Yield Quantification Using Orbital Multiturn Time-of-Flight Mass Spectrometry
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2024-11-08 , DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02961 Logan M. Wilder, Kabirat Balogun, W. Ellis Klein, Prithviraj Chumble, James L. Young
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2024-11-08 , DOI: 10.1021/acsenergylett.4c02961 Logan M. Wilder, Kabirat Balogun, W. Ellis Klein, Prithviraj Chumble, James L. Young
Yield validation of dinitrogen reduction reaction (N2RR) catalysts with 15N isotope labeling experiments is frustrated by the high cost of 15N2 and the frequent occurrence of 15NH3 and 15NOx impurities in commercial 15N2 sources. Also, gas diffusion electrode (GDE) cell architectures are relevant to scaling N2RR but underexplored and limited by ex situ product analysis methods. To overcome these obstacles, we develop and demonstrate a protocol for N2RR catalyst testing using a scalable GDE cell architecture and specialized test station that facilitates in-line product analysis with multiturn time-of-flight mass spectrometry. This approach provides robust yield measurements through real-time monitoring of 15NH3 with ultrahigh mass resolution. The 15N-containing impurities are also monitored, allowing their influence to be mitigated. A minimum detectable yield of 6 pmol·cm–2·s–1 (at 2.00 sccm and utilizing a 5 cm2 electrode) for real-time 15NH3 yield rate measurements is achieved while using a cost-effective amount of 15N2 (<100 mL).
中文翻译:
使用轨道多圈飞行时间质谱法进行实时 15NH3 产率定量的氮还原测试
由于 15N2 的成本高,以及商业 15N 2 源中频繁出现 15NH3 和 15NOx 杂质,因此使用 15N 同位素标记实验对二氮还原反应 (N2RR) 催化剂的产量验证受挫。此外,气体扩散电极 (GDE) 电池结构与缩放 N2RR 相关,但未得到充分探索,并受到非原位产物分析方法的限制。为了克服这些障碍,我们开发并演示了一种 N2RR 催化剂测试方案,该方案使用可扩展的 GDE 单元架构和专用测试站,便于使用多圈飞行时间质谱法进行在线产品分析。这种方法通过以超高质量分辨率实时监测 15NH3 来提供稳定的产量测量。此外,还监测了 15种含 N 的杂质,从而减轻了它们的影响。使用具有成本效益的 15N2 (<100 mL) 量,实时 15NH3 产率测量的最低可检测产量为 6 pmol·cm–2·s–1(在 2.00 sccm 下,使用 5 cm2 电极)。
更新日期:2024-11-08
中文翻译:
使用轨道多圈飞行时间质谱法进行实时 15NH3 产率定量的氮还原测试
由于 15N2 的成本高,以及商业 15N 2 源中频繁出现 15NH3 和 15NOx 杂质,因此使用 15N 同位素标记实验对二氮还原反应 (N2RR) 催化剂的产量验证受挫。此外,气体扩散电极 (GDE) 电池结构与缩放 N2RR 相关,但未得到充分探索,并受到非原位产物分析方法的限制。为了克服这些障碍,我们开发并演示了一种 N2RR 催化剂测试方案,该方案使用可扩展的 GDE 单元架构和专用测试站,便于使用多圈飞行时间质谱法进行在线产品分析。这种方法通过以超高质量分辨率实时监测 15NH3 来提供稳定的产量测量。此外,还监测了 15种含 N 的杂质,从而减轻了它们的影响。使用具有成本效益的 15N2 (<100 mL) 量,实时 15NH3 产率测量的最低可检测产量为 6 pmol·cm–2·s–1(在 2.00 sccm 下,使用 5 cm2 电极)。