Auf die Vorbereitung und Erprobung von Brennstoffzellen-Katalysatoren mit der Dünnschicht-rotierende Scheibe Elektrode Methode

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Brennstoffzellenkatalysatoren mit guter Reproduzierbarkeit vorzubereiten und zu testen. Reproduzierbare Messungen der rotierenden Scheibenelektrode mit dünnen Schichten eines Standardkatalysators können dann als Benchmark für neuartige Katalysatoren dienen. Die Prüfung von Brennstoffzellenkatalysatoren mit dem Dünnschicht-RDE-Verfahren erfordert Erfahrung.

Dieses Tutorial hilft Ihnen, die typischen experimentellen Fallstricke dieser Methode zu vermeiden. Der Hauptvorteil dieses Protokolls besteht darin, dass es die Vorbereitung von Benchmark-Katalysatoren umfasst. Dieses Protokoll liefert die Aktivitäten von Platinkohlenstoffkatalysatoren basierend auf der Oberfläche und Masse von Platin

Denken Sie daran, vor dem Testen immer Ihren tatsächlichen Platingehalt Ihres Katalysators zu bestimmen. Um das Verfahren zu beginnen, geben Sie vier Milliliter einer 0,4 molaren Lösung von Natriumhydroxid in Ethylenglykol und vier Milliliter einer 40 molaren Lösung von Chlorplatinsäure in Ethylenglykol in ein Mikrowellenreaktionsgefäß. Rüsten Sie das Gefäß mit einem Rührstab aus.

Erhitzen Sie die Mischung in einem Mikrowellenreaktor drei Minuten lang bei 160 Grad Celsius unter leichtem Rühren. Übertragen Sie 7,3 Milliliter der resultierenden kolloidalen Platin-Nanopartikel-Suspension in ein Zentrifugenröhrchen. Die zwei Nanometer großen Platin-Nanopartikel werden mit 30 Millilitern einer molaren Salzsäure ausgefällt.

Die Mischung wird fünf Minuten lang bei 2.900 g zentrifugiert und der Überstand verworfen. Wiederholen Sie die Zentrifugation in Salzsäure und die Entfernung des Überstands noch zweimal, um die Nanopartikel zu waschen. Dann verteilen Sie die Platin-Nanopartikel in sieben Millilitern Aceton erneut, indem Sie den Behälter manuell schütteln.

Dispergieren Sie 27,5 Milligramm Ruß durch Beschallung in einem Milliliter Aceton. Die Dispersionen werden in einem Kolben mit rundem Boden kombiniert. Verwenden Sie einen Rotationsverdampfer oder eine Schlenk-Leitung, um das Aceton vollständig zu entfernen.

Trocknen Sie das resultierende Platin über Nacht auf Kohlenstoffkatalysatorpulver bei 120 Grad Celsius. Füllen Sie anschließend ein Ultraschallbad mit kaltem Wasser. Geben Sie 20 Milliliter entionisiertes Wasser zu dem getrockneten Platin auf Kohlenstoffkatalysatorpulver und beschallen Sie die Mischung drei Minuten lang im kalten Ultraschallbad.

Sammeln Sie das Pulver auf Filterpapier mit vier bis sieben Mikrometer Poren. Waschen Sie das Pulver mit 200 Millilitern entionisiertem Wasser. Anschließend wird das Pulver über Nacht in einem Vakuumschrank bei 100 bis 120 Grad Celsius und 10 Kilopascal getrocknet, um die 50 Gewichtsprozent Platin auf dem Kohlenstoffkatalysatorpulver zu erhalten.

Vor der Charakterisierung trocknet man das Platin auf Kohlenstoffkatalysatorpulver über Nacht im Vakuumschrank bei 80 Grad Celsius und 10 Kilopascal. Wiegen Sie das trockene Katalysatorpulver in einem Keramiktiegel mit Deckel. Stellen Sie den abgedeckten Tiegel in einen Muffelofen.

Erhitze das Pulver bei 900 Grad Celsius für 30 Minuten an der Luft, um den Carbonträger abzubrennen. Schalten Sie dann den Ofen ab und lassen Sie das Pulver über Nacht im Ofen auf Raumtemperatur abkühlen. Als nächstes gibst du vier Milliliter Königswasser zum Pulver.

Die Mischung auf einer heißen Platte bei 80 Grad Celsius zwei Stunden lang erhitzen, um das Platin zu verdauen. Verdünnen Sie dann die Lösung auf 10 Milliliter mit entionisiertem Wasser. 0,75 Milliliter zweimolare Salzsäure werden mit 0,25 Millilitern eines molaren Zinn(II)-chlorids, das in viermoliger Salzsäure in einer Quarzküvette hergestellt wurde, gemischt und ein Milliliter der Königswasserprobe zugegeben.

Als Lösungsmittelhintergrund wird ein Gemisch aus 1,75 Millilitern zweimolarer Salzsäure und 0,25 Millilitern Zinnchlorid mit zwei molaren Salzsäure in viermoliger Salzsäure verwendet. Die Mischung mit einem kleinen Rührstäbchen gut verrühren. Erfassen Sie ein UV-Vis-Spektrum der Probenmischung von 700 bis 350 Nanometern und führen Sie eine Hintergrundsubtraktion durch.

Bestimmen Sie die Platinkonzentration in der Probe nach der Standardzugabemethode unter Verwendung einer 1000 ppm Platin-Standardlösung. Um mit der Vorbereitung der Katalysatortinte zu beginnen, mischen Sie 6,3 Milligramm 50 Gew.-% Platin auf Kohlenstoffkatalysatorpulver mit sechs Millilitern entionisiertem Wasser. Kombinieren Sie diese Mischung mit zwei Millilitern Isopropylalkohol.

Fügen Sie etwa 10 Mikroliter eines molaren Kaliumhydroxids hinzu, um den pH-Wert der Tinte auf etwa 10 einzustellen. Beschallen Sie die Farbmischung 15 Minuten lang in einem kalten Ultraschallbad. Überprüfen Sie den pH-Wert der Tinte, wenn Sie fertig sind.

Die Katalysatortinte wird 50-fach mit einem Ein- bis Dreifachen aus Isopropylalkohol und entionisiertem Wasser verdünnt. Verwenden Sie je nach Bedarf Säure oder Base, um den pH-Wert wieder auf 10 einzustellen. Messen Sie das Zetapotenzial der Katalysatortintenprobe mithilfe der elektrophoretischen Lichtstreuung.

Messen Sie die Größen der Aggregate mit dynamischer Lichtstreuung. Als nächstes polieren Sie nacheinander eine fünf Millimeter große, glasige Kohlenstoffscheibenelektrode mit 0,3 Mikrometer und 05 Mikrometer Aluminiumoxidpasten auf Hochglanz. Reinigen Sie die Elektrode nach jedem Polierschritt durch Beschallung in entionisiertem Wasser.

Trocknen Sie die saubere, polierte Elektrode mit Argongas. Führen Sie dann eine Argongasleitung durch einen Bubbler, der ein Gemisch von 17 bis drei Volumenteilen aus Isopropylalkohol und deionisiertem Wasser enthält. Pipettieren Sie fünf Mikroliter der Katalysatortinte auf die polierte Elektrode, um eine Platinbeladung von 10 Mikrogramm Platin pro Quadratzentimeter zu erreichen.

Trocknen Sie die Tinte langsam mit einem Strahl Argongas, der mit der Mischung aus Isopropylalkohol und entionisiertem Wasser befeuchtet wurde. Es ist äußerst wichtig, einen homogenen dünnen Katalysatorfilm auf der glasartigen Kohlenstoffelektrode zu erhalten. Wir ermutigen jeden, einige Zeit damit zu verbringen, verschiedene Bedingungen und Verfahren auszuprobieren, um herauszufinden, was für Sie am besten funktioniert.

Sobald das Platin auf dem Kohlenstoffkatalysatorfilm trocken ist, überprüfen Sie mit einer CCD-Kamera, ob der Film die Oberfläche der glasartigen Kohlenstoffelektrode gleichmäßig bedeckt. Um mit dem elektrochemischen Messaufbau zu beginnen, bauen Sie eine saubere elektrochemische Zelle aus Glas oder Polytetrafluorethylen mit drei Kammern zusammen. Verbinden Sie eine katalysatorbeschichtete glasförmige Scheibenelektrode mit einem Elektrodenrotator.

Füllen Sie die elektrochemische Zelle mit 0,1 molar Perchlorsäure am Elektrolyten. Platzieren Sie die katalysatorbeschichtete glasartige Scheibenelektrode als Arbeitselektrode in einem Fach der elektrochemischen Zelle. In den beiden anderen Kammern werden ein Platinnetz und eine eingeschlossene Wasserstoff- oder Sattkalomelelektrode mit einer Luggin-Kapillare als Gegen- bzw. Referenzelektrode platziert.

Schließen Sie die Elektroden an einen Potentiostaten an. Messen Sie den Widerstand in der Elektrolytlösung zwischen der Arbeitselektrode und der Luggin-Kapillare. Konfigurieren Sie den Potentiostaten so, dass er diesen Widerstand kompensiert, indem Sie das analoge positive Rückkopplungsschema verwenden.

Nach der Kalibrierung des Referenzelektrodenpotentials gegen das reversible Wasserstoffelektrodenpotential und der Reinigung des Katalysators wird ein zyklisches Voltammogramm in argongesättigtem Elektrolyten erstellt. Spülen Sie dann den Elektrolyten 10 Minuten lang mit Sauerstoffgas. Beginnen Sie mit der Drehung der glasartigen Kohlenstoffelektrode bei 1600 U/min.

Nehmen Sie ein zyklisches Voltammogramm mit einem Potentialsweep zwischen 05 und 1,10 Volt im Vergleich zu einer reversiblen Wasserstoffelektrode bei 05 Volt pro Sekunde auf. Halten Sie anschließend die Arbeitselektrode auf 05 Volt. Spülen Sie den Elektrolyten fünf Minuten lang mit Kohlenmonoxidgas, gefolgt von Argongas für 10 Minuten.

Sweepen Sie dann das Potential von 05 Volt auf 1,10 Volt bei 05 Volt pro Sekunde. Nachdem das Kohlenmonoxid-Stripping-Voltammogramm beendet ist, befeuchten Sie ein Stück Laborgewebe mit entionisiertem Wasser. Drücken Sie die glasartige Kohlenstoffelektrode auf das nasse Papier, um den Katalysatorfilm zu übertragen.

Fotografieren Sie den Katalysatorfilm nach dem Transfer. Durch das Übertragen des getesteten Katalysatorfilms auf das nasse Papier lässt sich auf einfache Weise feststellen, ob der Film während der Messung intakt geblieben ist. Gut dispergiertes Platin auf Kohlenstoffkatalysatorpulver wurde unter Verwendung von zwei Nanometer großen Platinmetallpartikeln aus einer stabilen kolloidalen Suspension hergestellt.

Wenn weniger stabile Suspensionen verwendet wurden, wie z. B. solche mit einer niedrigeren Natriumhydroxidkonzentration, kam es zu einer signifikanten Agglomeration von Platin-Nanopartikeln auf dem Kohlenstoffträger. Das Trocknen des Platins auf der Tinte des Kohlekatalysators mit einem Strom von befeuchtetem Argongas war unerlässlich, um einen homogenen dünnen Film auf der Elektrode zu erhalten. Der Kaffeeringeffekt wurde beobachtet, wenn die Tinte in der Umgebungsluft trocknete, wobei der Katalysator um die Außenseite der Elektrode herum agglomerierte.

Die Gleichmäßigkeit der Dünnschicht wurde durch Anpassung der Befeuchtungsbedingungen weiter abgestimmt. Ein höherer pH-Wert der Katalysatortinte verbesserte sowohl die Stabilität der Katalysatortintenlösung als auch die Gleichmäßigkeit des dünnen Films. Die Reinigung des Dünnschichtkatalysators durch Zyklieren des Elektrodenpotentials in mit Argon gesättigter Perchlorsäure war wichtig, um während der Messungen gut definierte Peaks zu erhalten.

Das lineare Sweep-Voltammogramm in sauerstoffgesättigter Perchlorsäure war sehr empfindlich gegenüber der Qualität der Katalysatorschicht. Der LSV eines homogenen Films zeigte eine sauerstoffdiffusionsbegrenzte Stromdichte von etwa 6 Milliampere pro Quadratzentimeter, mit einer scharfen Schulter in der LSV-Kurve. Ein inhomogener Film zeigte eine geringere Stromdichte und eine breitere Schulter.

Sobald die Synthese, die Charakterisierung und die elektrochemische Dünnschicht-RDE-Prüfung eines Standard-Brennstoffzellenkatalysators gemeistert sind, können sie bei ordnungsgemäßer Durchführung in zwei Tagen durchgeführt werden. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit konzentrierter Säure und Kohlenmonoxid äußerst gefährlich sein kann. Tragen Sie immer einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Handschuhe.

Gassensoren für Kohlenmonoxid und Wasserstoff müssen während der Durchführung dieser Experimente immer in Ihrem Labor aktiv sein. Denken Sie bei diesem Verfahren daran, dass die Sauberkeit entscheidend ist, um zuverlässige Ergebnisse bei elektrochemischen Messungen zu erhalten. Wir empfehlen, den Katalysator vorzubereiten und die elektrochemische Prüfung in zwei separaten Labors durchzuführen.

Zusätzlich zu diesem Verfahren können Methoden zur Charakterisierung von Katalysatoren wie Degradationstests, Kleinwinkel-Röntgenstreuung oder In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zur Funktionalität Ihres Katalysators zu beantworten. Die Dünnschicht-RDE-Technik ebnet den Forschern auf dem Gebiet der Elektrokatalyse nach ihrer Entwicklung den Weg zur Entwicklung verbesserter Elektrokatalysatoren für eine nachhaltige Energieumwandlung. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man einen Benchmark-Katalysator herstellt, wie man einen Brennstoffzellen-Katalysator mit unserer Dünnschicht-RDE-Technik testet und welche Fallstricke man vermeiden sollte.