Einfache Methoden zur Herstellung von nicht edlen Metall-Bulk-Elektroden für elektrokatalytische Anwendungen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine einfache und unkomplizierte Vorbereitung in einem elektrochemischen Prüfverfahren für Elektroden zu demonstrieren, basierend auf einem leitfähigen Festkörperkatalysator als Alternative zu einer herkömmlichen Tropfenbeschichtungsvorbereitung für die Wasserstoffentwicklungsreaktion. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Elektrodenmaterialvorbereitung zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie einen einfachen Weg zu hochrobusten Hochleistungselektroden bietet, ohne dass eine künstliche Nanostrukturierung erforderlich ist.

Die Idee zu dieser Methode hatten wir erstmals, als wir Bipedalit synthetisierten, was die Stabilität und Reproduzierbarkeit von Elektroden mit herkömmlichen Drop-Coating-Verfahren verbesserte. Die visuelle Demonstration dieser Technik ist von entscheidender Bedeutung, da die Prozessparameter die Leistung und Stabilität des Katalysators und der Elektrode stark beeinflussen können. Dieses Verfahren wird von Mathias Smialkowski, einem Studenten aus unserem Labor, vorgeführt.

Um diesen Vorgang zu starten, mischen Sie Eisen, Nickel und Schwefel gründlich mit einem Mörser und Stößel. Übertragen Sie die Mischung in eine Kieselsäureampulle mit einem Durchmesser von 10 Millimetern. Evakuieren Sie die Ampulle dann über Nacht bei 10 auf minus zwei Millibar.

Nachdem Sie die Ampulle verschlossen haben, stellen Sie sie in einen Rohrofen. Erhöhen Sie die Temperatur des Ofens von Raumtemperatur auf 700 Grad Celsius bei fünf Grad Celsius pro Minute, gefolgt von einem isothermen Schritt für drei Stunden. Erhöhen Sie anschließend die Temperatur des Ofens innerhalb von 30 Minuten auf 1.100 Grad Celsius, gefolgt von einem isothermen Schritt für 10 Stunden.

Kühlen Sie die Probe dann langsam auf Raumtemperatur ab, indem Sie den Ofen ausschalten. Nachdem Sie die Ampulle aus dem Ofen genommen haben, knacken Sie sie, um das feste Produkt aufzufangen. Mahlen Sie das Pentlandit-Schüttgut, um ein feines Pulver zu erhalten.

Füllen Sie etwa 50 Milligramm des Pulvers in ein Presswerkzeug mit drei Millimetern Durchmesser und pressen Sie das Material mit der maximalen Gewichtskraft. Entfernen Sie dann das Pellet mit einem Abstandshalter aus der Form. Tragen Sie anschließend einen Zweikomponenten-Silberepoxidkleber auf den Messingstab in den Hohlraum eines Teflongehäuses auf.

Legen Sie das Pellet so in das Teflongehäuse, dass die flache Seite des Pellets etwa einen Millimeter herausragt. Entfernen Sie alle Rückstände auf dem Teflongehäuse mit einem Papiertaschentuch. Überprüfen Sie als Nächstes den Kontakt zwischen dem Messingdraht und dem Pentlandit-Pellet mit dem Voltmeter, um die richtige Leitfähigkeit sicherzustellen.

Nach 12 Stunden Aushärten des Zweikomponentenklebers bei 60 Grad Celsius kühlen Sie die Elektrode auf Raumtemperatur ab. Polieren Sie die abgekühlte Elektrode mit einer Reihe von feinem Schleifpapier, um eine glänzende, bündig ebene Oberfläche innerhalb des Teflongehäuses zu erhalten. Reinigen Sie dann die Oberfläche mit entionisiertem Wasser und lassen Sie sie unter Umgebungsbedingungen trocknen.

Verbinden Sie alle drei Elektroden mit den Drähten eines Potentiostaten. Geben Sie dann 25 Milliliter Elektrolyt in die elektrochemische Zelle und stellen Sie die Elektroden so ein, dass sie vollständig in die Lösung eingetaucht sind. Spülen Sie dann die Lösung 30 Minuten lang mit Argon.

Schalten Sie nach dem Spülen den Potentiostaten und das Magnetrührwerk ein. Führen Sie ein zyklisches Voltammetrie-Experiment durch, indem Sie zunächst den Potentialbereich von 0,2 bis minus 0,2 Volt, die Abtastrate auf 100 Millivolt pro Sekunde und die Anzahl der Zyklen auf 20 einstellen. Starten Sie als Nächstes den Zyklusvorgang und warten Sie, bis der letzte Zyklus abgeschlossen ist.

Wenn die letzten drei bis vier erhaltenen Zyklen zusammenfallen, ist die elektrochemische Elektrodenreinigung abgeschlossen. Im Falle einer Divergenz fügen Sie weitere Zyklen hinzu, bis stabile Kurven erhalten werden. Bestimmen Sie vor Beginn des linearen Sweep-Voltammetrie-Experiments den Innenwiderstandskompensationswert für den elektrochemischen Aufbau.

Wählen Sie anschließend das Programm für lineare Sweep-Voltammetrie-Experimente aus und stellen Sie den Potentialbereich von 0,2 bis minus 0,6 Volt und die Abtastrate auf fünf Millivolt pro Sekunde ein, einschließlich des Innenwiderstandsabfalls in das Experiment. Starten Sie dann das Experiment. Wiederholen Sie die linearen Sweep-Experimente, um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Führen Sie nun ein Experiment mit kontrollierter Potentialcoulometrie durch, indem Sie zunächst das Potential auf minus 6,6 Volt mit einer Experimentierzeit von mindestens 20 Stunden einstellen. Gleichzeitige Entnahme von Gasproben mit der gasdichten Spritze aus dem Kopfraum der versiegelten Zelle für mindestens vier Stunden des Experiments in den Receptum. Injizieren Sie die Proben zur Quantifizierung in ein JC-Gerät und bestimmen Sie die Menge an erzeugtem Wasserstoff anhand einer auf dem Gerät aufgezeichneten Kalibrierkurve.

Wählen Sie im zyklischen Voltammetrie-Experiment einen Potentialbereich zwischen 0,1 und null Volt und stellen Sie die Abtastrate auf 10 Millivolt pro Sekunde ein. Verwenden Sie die Korrektur des Innenwiderstandsabfalls wie gezeigt, und legen Sie die Anzahl der Zyklen für das Experiment auf fünf fest. Wiederholen Sie die vorherigen Schritte für Scan-Geflechte mit 20, 30, 40, 50 und 60 Millivolt pro Sekunde.

Wählen Sie aus den erhaltenen zyklischen Voltammetriekurven den fünften Zyklus zur weiteren Interpretation. Bestimmen Sie die Dichteunterschiede des Ladestroms und stellen Sie diese Werte in Abhängigkeit vom Scangeflecht dar. Die Synthese von Pentlandit mit einer Pentlanditstruktur wurde durch Pulver-XRD bestätigt.

Monosulfit-Festlösungsverunreinigungen wurden bei schnellerer Erwärmung beobachtet, mit einer langsameren Aufheizrate von fünf Grad Celsius pro Minute können diese Verunreinigungen reduziert oder eliminiert werden. Die Mossbauer-Spektroskopie bestätigte auch die Pentlanditstruktur und entdeckte zwei Eisenstellen. Die DSC zeigte zwei Phasenübergänge, die das Fehlen unerwünschter Phasen bestätigten.

REM-Bilder von Pentlandit, poliertem Gestein und Pelletelektroden sind hier dargestellt. Aus der EDX-Analyse geht hervor, dass das Verhältnis zwischen Eisen, Nickel und Schwefel mit der Beobachtung einer reinen Pentlanditphase in der XRD übereinstimmt. Hier sind die linearen Sweep-Voltammegramme beider Elektroden dargestellt.

Eine exfolierte, tropfenbeschichtete Elektrode zeigte keine verbesserte elektrokatalytische Leistung. Die Menge an Wasserstoff, die in Abhängigkeit von der Zeit der Elektrolyse mit einer Gesteinselektrode erzeugt wird, ist vergleichbar mit einer Pelletelektrode. Die Ladestromdichte in Abhängigkeit von der Abtastrate zeigt marginale Unterschiede in der elektrochemischen Oberfläche und der Anzahl der aktiven Zentren, was bestätigt, dass die Elektroden eine ähnliche Leistung aufweisen.

Ein Nyquist-Diagramm einer Gesteinselektrode zeigt einen niedrigen Ladungsübergangswiderstand, der mit der hohen intrinsischen Leitfähigkeit des Materials übereinstimmt. Pelletelektroden zeigen ein ähnliches Verhalten. Einmal gemeistert, kann diese Technik bei richtiger Anwendung innerhalb eines sehr kurzen Zeitrahmens für mehrere Materialien eingesetzt werden. Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, dass das interessierende Material leitfähig sein muss.

Wenn Sie dieses Verfahren befolgen, erhalten Sie ein Standardprotokoll, mit dem Sie elektrokatalytische Materialien bewerten und Ihre Ergebnisse richtig vergleichen können. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man stabile Elektroden aus Bulk-Katalysatoren ohne den Einsatz von Pionieren herstellt und wie man sie in Bezug auf die elektrokatalytische Leistung richtig testet.