Métodos simples para la preparación de electrodos a granel no metálicos no nobles para aplicaciones electrocatalíticas

El objetivo general de este procedimiento es demostrar una preparación simple y directa en un método de prueba electroquímico para electrodos, basado en un catalizador de estado sólido conductor como alternativa a una preparación convencional de recubrimiento en gota para la reacción de evolución del hidrógeno. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la preparación de materiales de electrodos. La principal ventaja de esta técnica es que proporciona una ruta fácil hacia electrodos altamente robustos y de alto rendimiento sin la necesidad de ninguna nanoestructuración artificial.

La primera vez que tuvimos la idea de este método fue cuando sintetizamos la bipedalita, mejorando la estabilidad y los problemas de reproducibilidad al preparar los electrodos utilizando métodos convencionales de recubrimiento por gota. La demostración visual de esta técnica es fundamental, ya que los parámetros del proceso pueden influir en gran medida en el rendimiento y la estabilidad del catalizador y el electrodo. Para demostrar este procedimiento, estará Mathias Smialkowski, un estudiante de nuestro laboratorio.

Para comenzar este procedimiento, mezcle bien el hierro, el níquel y el azufre con un mortero. Transfiera la mezcla a una ampolla de sílice de 10 milímetros de diámetro. Luego, evacúe la ampolla durante la noche a las 10 a la barra de menos dos mili

Después de sellar la ampolla, colóquela en un horno tubular. Aumente la temperatura del horno de temperatura ambiente a 700 grados centígrados a cinco grados centígrados por minuto, seguido de un paso isotérmico durante tres horas. A continuación, aumente la temperatura del horno a 1,100 grados centígrados en 30 minutos, seguido de un paso de isoterma durante 10 horas.

Luego, enfríe lentamente la muestra a temperatura ambiente, apagando el horno. Después de retirar la ampolla del horno, rómbrala para recoger el producto sólido. Muele el material a granel de pentlandita para obtener un polvo fino.

Transfiera aproximadamente 50 miligramos de polvo a una herramienta de compresión de tres milímetros de diámetro y presione el material con la fuerza máxima del peso. A continuación, retire el pellet del molde, utilizando un soporte distanciador. Después de esto, aplique un pegamento epóxido de plata de dos componentes en la varilla de latón, en la cavidad de una carcasa de teflón.

Coloque el pellet en la carcasa de teflón, de modo que el lado plano del pellet sobresalga aproximadamente un milímetro. Retire cualquier residuo de la carcasa de teflón con un pañuelo de papel. A continuación, verifique el contacto entre el cable de latón y el pellet de pentlandita con el voltímetro, para garantizar una conductividad adecuada.

Después de 12 horas de curado del pegamento de dos componentes a 60 grados centígrados, enfríe el electrodo a temperatura ambiente. Pula el electrodo enfriado con una serie de papel de lija de grado fino, para obtener una superficie plana y brillante dentro de la carcasa de teflón. A continuación, limpie la superficie con agua desionizada y deje que se seque en condiciones ambientales.

Conecte los tres electrodos con los cables de un potenciostato. A continuación, agregue 25 mililitros de electrolito a la celda electroquímica y ajuste los electrodos para asegurarse de que estén completamente sumergidos en la solución. Luego, purgue la solución con argón durante 30 minutos.

Después de la purga, encienda el potenciostato y la agitación magnética. Realice un experimento de voltamperometría cíclica, configurando primero el rango de potencial de 0,2 a menos 0,2 voltios, la velocidad de escaneo a 100 milivoltios por segundo y el número de ciclos a 20. A continuación, inicie el proceso de ciclo, esperando hasta que finalice el último ciclo.

Si los últimos tres o cuatro ciclos obtenidos coinciden, se completa la limpieza electroquímica del electrodo. En caso de divergencia, agregue más ciclos hasta obtener curvas estables. Antes de comenzar el experimento de voltamperometría de barrido lineal, determine el valor de compensación de resistencia interna para la configuración electroquímica.

Después de esto, seleccione el programa para experimentos de voltamperometría de barrido lineal y establezca el rango de potencial de 0,2 a menos 0,6 voltios, y la velocidad de escaneo a cinco milivoltios por segundo, incluida la caída de resistencia interna en el experimento. A continuación, inicie el experimento. Repita los experimentos de barrido lineal para garantizar la reproducibilidad.

Ahora, realice un experimento de coulometría de potencial controlado, ajustando primero el potencial a menos 6,6 voltios con un tiempo de experimento de al menos 20 horas. Recoja simultáneamente muestras de gas, con la jeringa hermética al gas del espacio principal de la celda sellada, para receptum durante cada hora durante al menos cuatro horas del experimento. Inyecte las muestras en un instrumento JC para su cuantificación y determine la cantidad de hidrógeno producido, utilizando una curva de calibración, registrada en el instrumento.

Seleccione un rango de potencial entre 0,1 y cero voltios en el experimento de voltamperometría cíclica y establezca la velocidad de escaneo en 10 milivoltios por segundo. Utilice la corrección de caída de resistencia interna como se muestra y establezca el número de ciclos del experimento en cinco. Repita los pasos anteriores, para escanear trenzas de 20, 30, 40, 50 y 60 milivoltios por segundo.

De las curvas de voltamperometría cíclica obtenidas, elija el quinto ciclo para una mayor interpretación. Determine las diferencias de densidad de corriente de carga y trace estos valores en función de la trenza de escaneo. La síntesis de pentlandita, que posee una estructura de pentlandita, fue confirmada por XRD en polvo.

Se han observado impurezas de solución sólida de monosulfito con un calentamiento más rápido, con una velocidad de calentamiento más lenta de cinco grados centígrados por minuto, estas impurezas se pueden reducir o eliminar. La espectroscopia de Mossbauer también confirmó la estructura de pentlandita y reveló dos yacimientos de hierro. La DSC reveló dos transiciones de fase, confirmando la ausencia de fases indeseables.

Aquí se muestran imágenes SEM de electrodos de roca pulida y pellets de pentlandita. A partir del análisis EDX, la relación entre hierro, níquel y azufre es consistente con la observación de una fase de pentlandita pura en el XRD. Aquí se muestran los voltampogramas de barrido lineal de ambos electrodos.

Un electrodo exfoliado recubierto de gota no mostró un mejor rendimiento electrocatalítico. La cantidad de hidrógeno producido, dependiendo del tiempo de electrólisis utilizando un electrodo de roca, es comparable a un electrodo de pellets. La densidad de corriente de carga, en función de la velocidad de escaneo, muestra diferencias marginales en el área de superficie electroquímica y el número de sitios activos, lo que confirma que los electrodos tienen un rendimiento similar.

Un diagrama de Nyquist de un electrodo de roca revela una baja resistencia a la transferencia de carga, que es consistente con la alta conductividad intrínseca del material, los electrodos de pellets exhiben un comportamiento similar. Una vez dominada, esta técnica se puede utilizar para múltiples materiales en un período de tiempo muy corto, si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que el material de interés debe ser conductor.

Siguiendo este procedimiento, le dará un protocolo estándar que le permite evaluar los materiales electrocatalíticos y comparar adecuadamente sus resultados. Después de ver este video, debe tener una buena comprensión de cómo preparar electrodos estables a partir de catalizadores a granel sin el uso de pioneros y cómo probarlos correctamente con respecto al rendimiento electrocatalítico.