用于电催化应用的非贵金属块状电极的简易制备方法

本实验的总体目标是展示一种简单直接的电化学测试方法，用于制备基于导电固态催化剂的电极，以替代传统的滴涂法制备析氢反应电极。该方法有助于解答电极材料制备领域中的一些关键问题。该技术的主要优势在于，无需任何人工纳米结构设计，即可简便地制备出高稳定性、高性能的电极。

我们最初在合成双足体时产生了这种方法的想法，当时使用传统的滴涂法制备电极遇到了稳定性增强和重现性问题。直观地展示该技术至关重要，因为工艺参数会显著影响催化剂和电极的性能与稳定性。本次实验操作将由本实验室的学生 Mathias Smialkowski 进行演示。

开始此操作时，用研钵和研杵将铁、镍和硫充分混合。将混合物转移至一个直径为10毫米的石英安瓿瓶中。然后，在10⁻²毫巴的真空条件下抽气过夜。

密封安瓿后，将其放入管式炉中。以每分钟5摄氏度的速率将炉温从室温升至700摄氏度，随后在700摄氏度下恒温保持3小时。接着，在30分钟内将炉温升至1,100摄氏度，随后在1,100摄氏度下恒温保持10小时。

然后，通过关闭炉子使样品缓慢冷却至室温。从炉中取出安瓿瓶后，将其敲碎以收集固体产物。将块状镍黄铁矿材料研磨成细粉。

取约50毫克粉末放入直径为3毫米的压片模具中，用最大压力压制成片。然后使用间距垫片将压好的片剂从模具中取出。接着，在聚四氟乙烯外壳的空腔内，将双组分银环氧化物胶水涂在黄铜棒上。

将 pellet 置于聚四氟乙烯外壳中，使 pellet 的平面一侧露出约一毫米。用纸巾清除聚四氟乙烯外壳上的任何碎屑。接着，使用电压表检测黄铜丝与镍黄铁矿 pellet 之间的接触，以确保导电性良好。

在60摄氏度下固化双组分胶12小时后，将电极冷却至室温。使用一系列细粒度砂纸对冷却后的电极进行抛光，以在聚四氟乙烯外壳内获得光亮且平整的表面。然后，用去离子水清洗表面，并在环境条件下自然干燥。

使用恒电位仪的导线连接所有三个电极。接下来，向电化学池中加入25毫升电解液，并调整电极位置，确保其完全浸入溶液中。然后，用氩气对溶液通气30分钟。

吹扫后，打开恒电位仪和磁力搅拌器。首先将电位范围设置为0.2至-0.2伏，扫描速率为100毫伏每秒，循环次数为20次，进行循环伏安实验。接着开始循环过程，等待最后一次循环完成。

如果最后三到四个循环结果一致，则电化学电极清洗完成。若结果出现偏差，需增加循环次数，直至获得稳定的曲线。在开始线性扫描伏安法实验之前，需确定电化学装置的内阻补偿值。

随后，选择线性扫描伏安法实验的程序，设置电位范围为 0.2 至 -0.6 伏特，扫描速率为每秒 5 毫伏，并将内阻降纳入实验中。然后开始实验。重复进行线性扫描实验，以确保结果的可重复性。

现在，进行恒电位库仑实验，首先将电位设定为负6.6伏，实验时间至少为20小时。在实验开始后的至少四小时内，每隔一小时使用气密注射器从密封电解池的顶空中采集气体样品，并收集至接收容器中。将样品注入JC仪器进行定量分析，并利用仪器上记录的标准曲线确定所产生的氢气量。

在循环伏安实验中选择0.1至0伏之间的电位范围，并将扫描速率设置为10毫伏每秒。按照演示方法使用内阻降补偿，并将实验的循环次数设置为5次。重复上述步骤，分别以20、30、40、50和60毫伏每秒的扫描速率进行实验。

从获得的循环伏安曲线中，选取第五圈进行进一步分析。确定充电电流密度的差异，并将这些值作为扫描速率的函数进行绘图。通过粉末XRD证实了具有陨硫铁结构的陨硫铁的合成。

在较快升温条件下观察到单硫酸盐固溶体杂质，当以每分钟五摄氏度的较慢加热速率进行时，这些杂质可减少或消除。穆斯堡尔光谱也证实了针镍矿结构，并揭示了两种铁位点。DSC 显示出两个相变过程，证实了不存在不良相。

此处展示了针镍矿抛光岩石和颗粒电极的扫描电镜（SEM）图像。根据EDX分析，铁、镍和硫的比例与XRD中观察到的纯针镍矿相一致。两种电极的线性扫描伏安图也在此展示。

一种剥离的滴涂电极未表现出改善的电催化性能。使用岩石电极进行电解时，产氢量随电解时间的变化与压片电极相当。充电电流密度随扫描速率的变化显示，电化学表面积和活性位点数量仅有微小差异，这证实了两种电极具有相似的性能。

岩石电极的奈奎斯特图显示其电荷转移电阻较低，这与材料的高本征电导率一致，压片电极也表现出类似行为。一旦掌握该技术，若操作得当，可在极短时间内将其应用于多种材料。在进行该实验时，需注意目标材料必须具有导电性。

遵循本实验方案，您将获得一种标准流程，可用于评估电催化材料，并对实验结果进行合理比较。观看本视频后，您应能够充分掌握如何从块体催化剂制备稳定的电极，且无需使用粘合剂，同时了解如何针对电催化性能对其进行正确测试。