使用薄膜旋转圆盘电极法制备与测试燃料电池催化剂

本实验的总体目标是制备并测试具有良好重现性的燃料电池催化剂。对标准催化剂进行可重现的薄膜旋转圆盘电极测量，可为新型催化剂提供基准参考。采用薄膜RDE方法测试燃料电池催化剂需要一定的操作经验。

本教程将帮助您避免该方法常见的实验陷阱。本方案的主要优势在于包含了基准催化剂的制备步骤。该方案基于铂的表面积和质量，提供铂碳催化剂的活性数据。

在测试前，请务必确定催化剂中铂的实际含量。开始实验时，将4毫升0.4摩尔的氢氧化钠乙二醇溶液和4毫升40毫摩尔的氯铂酸乙二醇溶液加入微波反应釜中，并在反应釜中放入搅拌子。

在微波反应器中将混合物于160摄氏度下加热三分钟，同时轻轻搅拌。取7.3毫升所得的胶体铂纳米粒子悬浮液转移至离心管中。加入30毫升1摩尔的盐酸，沉淀出2纳米的铂纳米粒子。

将混合物在2,900 ×g下离心5分钟，并弃去上清液。用盐酸重复离心及上清液去除操作两次，以完成对纳米颗粒的洗涤。然后通过手动振荡容器，将铂纳米颗粒重新分散于7 mL丙酮中。

将27.5毫克炭黑通过超声分散于1毫升丙酮中。将分散液合并至圆底烧瓶中。使用旋转蒸发仪或施伦克线完全除去丙酮。

将所得的碳载铂催化剂粉末在120摄氏度下干燥过夜。接着，将超声波水浴槽中装入冷水。向干燥的碳载铂催化剂粉末中加入20毫升去离子水，并在冷的超声波水浴中对混合物超声处理3分钟。

使用孔径为4至7微米的滤纸收集粉末。用200毫升去离子水洗涤粉末。然后，在100至120摄氏度、10千帕的真空烘箱中将粉末干燥过夜，得到含50%（质量分数）铂的碳负载催化剂粉末。

表征前，将碳载铂催化剂粉末在80摄氏度、10千帕的真空烘箱中干燥过夜。将干燥的催化剂粉末称重后放入带盖的陶瓷坩埚中。将加盖的坩埚置于马弗炉中。

将粉末在空气中于900摄氏度加热30分钟，以去除碳载体。然后关闭炉子，使粉末在炉中过夜冷却至室温。接着，向粉末中加入4毫升王水。

将混合物置于加热板上，在 80 摄氏度下加热两小时，以消解铂。然后用去离子水将溶液稀释至 10 毫升。在石英比色皿中，混合 0.75 毫升 2 摩尔的盐酸与 0.25 毫升用 4 摩尔盐酸配制的 1 摩尔氯化亚锡，再加入 1 毫升王水样品。

使用1.75毫升2摩尔盐酸与0.25毫升2摩尔氯化亚锡（溶于4摩尔盐酸中）的混合液作为溶剂背景。用小搅拌子充分搅拌混合液。采集样品混合物在700至350纳米范围内的紫外-可见光谱，并进行背景扣除。

采用标准加入法，使用1000 ppm铂标准溶液测定样品中的铂浓度。开始制备催化剂油墨时，将6.3毫克的碳载50%（质量分数）铂催化剂粉末与6毫升去离子水混合。将该混合物与2毫升异丙醇混合。

加入约 10 微升 1 摩尔的氢氧化钾，将墨水的 pH 值调节至约 10。将墨水混合物置于低温超声浴中，超声处理 15 分钟。处理结束后，检测墨水的 pH 值。

将催化剂油墨用异丙醇与去离子水按体积比1:3的混合液稀释50倍。根据需要使用酸或碱将pH值调回至10。采用电泳光散射法测定催化剂油墨样品的Zeta电位。

使用动态光散射法测量聚集体的尺寸。接下来，依次使用0.3微米和0.5微米的氧化铝浆料将五毫米的玻碳圆盘电极抛光至镜面光洁度。每次抛光步骤后，将电极在去离子水中超声清洗。

用氩气吹干洁净的抛光电极。然后，将氩气管路通过一个装有体积比为17:3的异丙醇与去离子水混合液的鼓泡器。用移液器吸取5微升催化剂油墨滴加到抛光电极上，使铂载量达到每平方厘米10微克铂。

使用异丙醇和去离子水混合物加湿的氩气流缓慢干燥墨水。在玻璃碳电极上获得均匀的薄催化剂膜至关重要。我们鼓励每个人花一些时间尝试不同的条件和操作步骤，以找出最适合您的方法。

铂碳催化剂膜干燥后，使用CCD相机确认该膜是否均匀覆盖在玻璃碳电极表面。开始电化学测量前，组装一个洁净的三室玻璃或聚四氟乙烯电化学池。将涂有催化剂的玻璃碳圆盘电极连接至电极旋转器。

将电化学池中加入0.1摩尔的高氯酸作为电解液。将涂有催化剂的玻碳圆盘电极置于电化学池的一个腔室中，作为工作电极。在另外两个腔室中分别放置铂网和带有鲁金毛细管的氢电极或饱和甘汞电极，作为对电极和参比电极。

将电极连接至电化学工作站。测量工作电极与鲁金毛细管之间电解质溶液的电阻。通过使用模拟正反馈模式，设置电化学工作站以补偿该电阻。

在将参比电极电位校准至可逆氢电极电位并清洗催化剂后，在氩气饱和的电解液中采集循环伏安图。随后，用氧气吹扫电解液10分钟。将玻碳电极以1600 rpm的转速开始旋转。

以可逆氢电极为参比，记录在0.5至1.10伏之间、扫描速率为0.5伏每秒的循环伏安图。随后，将工作电极固定在0.5伏。通入一氧化碳气体吹扫电解液5分钟，再通入氩气吹扫10分钟。

然后，以每秒0.05伏的速率将电位从0.5伏扫描至1.10伏。一氧化碳 stripping 伏安图完成后，用去离子水润湿一片实验室擦拭纸。将玻碳电极按压在湿润的纸上，以转移催化剂膜。

转移后拍摄催化剂膜的照片。将测试后的催化剂膜转移到湿润的滤纸上，是观察膜在测量过程中是否保持完整的简便方法。所用的碳载铂催化剂粉末是通过从稳定的胶体悬浮液中获取两纳米大小的铂金属颗粒制备而成。

当使用稳定性较差的悬浮液时（例如氢氧化钠浓度较低的悬浮液），碳载体上会发生显著的铂纳米颗粒团聚现象。在电极上获得均匀薄膜的关键步骤是采用加湿的氩气气流干燥铂碳催化剂油墨。当油墨在环境空气中自然干燥时，会出现咖啡环效应，催化剂在电极外缘区域发生团聚。

通过调节加湿条件，进一步优化了薄膜的均匀性。较高的催化剂油墨pH值可同时改善催化剂油墨溶液的稳定性和薄膜的均匀性。在氩气饱和的高氯酸中循环电极电位以清洗薄膜催化剂，对于在测量过程中获得清晰明确的峰至关重要。

在饱和氧气的高氯酸溶液中，线性扫描伏安图对催化剂膜的质量高度敏感。均匀膜的线性扫描伏安曲线显示出约6毫安每平方厘米的氧扩散限制电流密度，并在伏安曲线中呈现明显的肩峰；而非均匀膜则表现出较小的电流密度和更宽的肩峰。

一旦掌握，标准燃料电池催化剂的合成、表征以及电化学薄膜旋转圆盘电极测试，若操作得当，可在两天内完成。切勿忘记，接触浓酸和一氧化碳可能具有极高危险性。务必穿戴实验服、护目镜和手套。

进行这些实验时，实验室中的一氧化碳和氢气传感器必须始终保持开启状态。在进行该操作步骤时，请牢记，清洁度对于获得可靠的电化学测量结果至关重要。我们建议在两个独立的实验室中分别制备催化剂和开展电化学测试。

除了该实验步骤外，还可以进行催化剂表征方法，如降解测试、小角X射线散射或原位X射线吸收光谱，以进一步探究催化剂功能相关的其他问题。该薄膜旋转圆盘电极（RDE）技术的建立，为电催化领域的研究人员开发用于持续能量转换的高效电催化剂奠定了基础。观看本视频后，您应能够充分理解如何制备标准催化剂、如何使用我们的薄膜RDE技术测试燃料电池催化剂，以及需要避免哪些常见问题。