Name: En la preparación y ensayo de catalizadores de célula combustible utilizando el método de electrodo de disco giratoria de película delgada (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-03-16T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 12 s
Description: Aprende a preparar y ensayar catalizadores de célula combustible Pt/C con reproducibilidad usando el método de electrodo de disco giratoria de película delgada. Este protocolo establece un estándar para evaluar nuevos sistemas catalíticos en electroquímica.

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J.Q. y M.A. reconocen apoyo de la Fundación de Villum en forma de un estipendio de bloque. M.I. y M.A. reconocen apoyo de Toyota, centro R & D Labs., Inc. J.Q. ha recibido financiación de la investigación de horizonte 2020 de la Unión Europea y programa de innovación en Marie Skłodowska-Curie conceder acuerdo No 703366.

1. síntesis de catalizadores de Pt/C de % de peso 50
<ol><li>
Síntesis coloidal de nanopartículas de Pt (NPs)
	<ol>
<li>Para obtener una suspensión coloidal de 2 nm Pt NPs, mezclar 4 mL de una solución de NaOH 0,4 m en etilenglicol (EG) con 4 mL de H2PtCl6·6H2O 40 mm en EG en un recipiente de la reacción de microondas.</li>
		<li>Calienta la mezcla durante 3 minutos a 160 ° C con el reactor de microondas (modo dinámico, potencia de calentamiento: 100 W, revolviendo: baja).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Inmovilización de NPs de Pt en los soportes de carbono
	<ol>
<li>Añadir 30 mL de solución de HCl de 1 M a 7,3 mL de la suspensión coloidal de NPs de Pt para la precipitación. Centrifugar la mezcla a una fuerza centrífuga relativa de 2.900 x g (5.000 revoluciones por minuto (rpm)) durante 5 min y descarte el sobrenadante solvente. Repita estos pasos de lavado/centrifugación dos veces. Nota: Todos los productos químicos deben ser recogidos y eliminados conforme a las reglas de la institución local.</li>
		<li>Volver a dispersar el NPs de Pt en 7 mL de acetona. Dispersar a 27,5 mg de negro de carbono en 1 mL de acetona. Mezclar ambas dispersiones de acetona y se evapore la acetona en un evaporador rotatorio (40 ° C, 200 mbar) o una línea de Schlenk (40 ° C, 200 mbar) hasta completamente secas.</li>
		<li>Seco el polvo obtenido de catalizador Pt/C en un horno (120 ° C) durante la noche.</li>
		<li>Añadir agua desionizada (DI) para el polvo de catalizador de Pt/C y someter a ultrasonidos (35 kHz, 160 vatios) en un baño lleno de agua fría (&lt; 5 ° C) durante 3 min filtro hacia fuera y lavar el catalizador con agua desionizada en papel filtro (4-7 μm). Seco el polvo de catalizador en una estufa de vacío (100-120 ° C, 10 kPa). Nota: Este procedimiento conduce a 55 mg de un catalizador de Pt/C con un Pt wt % de 50 y un tamaño de partícula de Pt de aprox. 2 nm. Para preparar grandes cantidades de catalizador de Pt/C, escale las sumas respectivas en una proporción de 1:1. Variando la cantidad de NPs de Pt al negro de carbono, el TP carga regulable entre 10 y 70-80% de peso sin la importante aglomeración de NP.</li>
		<li>Para hacer una tinta de catalizador, la mezcla 6,3 mg de 50% en peso de polvo de catalizador de Pt/C con 6 mL de agua desionizada y 2 mL de isopropanol (IPA). Agregue una pequeña cantidad de solución KOH de 1 M (~ 10 μl) para ajustar el pH de la tinta a ser alrededor de 10. Lugar el frasco de cristal que contiene la mezcla en un baño de ultrasonidos con agua fría (&lt; 5 ° C) y someter a ultrasonidos (35 kHz, 160 vatios) por 15 minutos. Nota: No agregue primero IPA al catalizador. Si el alcohol se agrega a un polvo secado del catalizador de Pt/C, el catalizador coge el fuego.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Caracterización de NPs de Pt y catalizadores de Pt/C
<ol><li>
Caracterización del microscopio de electrones (TEM) de transmisión de NPs de Pt
	<ol>
<li>Añadir 30 mL de solución de HCl de 1 M a 7,3 mL de la suspensión coloidal de NPs de Pt para la precipitación. Centrifugar la mezcla a una fuerza centrífuga relativa de 2.900 x g (5.000 revoluciones por minuto (rpm)) durante 5 min y descarte el sobrenadante solvente. Repita estos pasos de lavado/centrifugación dos veces.</li>
		<li>Tomar una gota (aproximadamente 100 μL) de la suspensión de la NP del Pt y a la dispersión en 1 mL de acetona.</li>
		<li>Ponga una gota de diluido, volver a disperso NPs sobre una rejilla TEM (con una película de carbono normal) a un papel de filtro para absorber exceso solvente y deje que se seque en el aire la red.</li>
		<li>Analizar la distribución de tamaño de partícula por proyección de imagen por lo menos 5 diferentes áreas de la red, por lo menos 3 diferentes aumentos (p. ej., 100, 000 X, 300, 000 X, 400, 000 X). Medir el tamaño (y distribución relacionados) de al menos 300 NPs de las micrografías.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Caracterización de la temperatura del catalizador de Pt/C
	<ol>
<li>Diluir la tinta de catalizador (descrita arriba) dos veces con 100% IPA. Poner una gota de la tinta de catalizador diluido sobre una rejilla TEM (con una película de carbón perforado o lacey) colocada sobre un papel de filtro para absorber el exceso de solvente y dejar que la red seca en aire.</li>
		<li>Analizar la distribución de tamaño de partícula por proyección de imagen por lo menos 5 diferentes áreas de la red, por lo menos 3 diferentes aumentos (p. ej., 100, 000 X, 300, 000 X, 400, 000 X). Medir el tamaño (y distribución relacionados) de al menos 300 NPs de las micrografías. Nota: Imágenes TEM con mejor contraste se obtienen mediante la observación de las partículas de catalizador de Pt/C, que no se superponen con una película de carbón de la parrilla. Esta es la ventaja de usar rejillas TEM con una película de carbón perforado o lacey aquí.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Digestión de Pt NPs por agua regia
	<ol>
<li>Seque el catalizador de Pt/C en una estufa de vacío (80 ° C, 10 kPa) durante la noche. Pesar el catalizador en polvo en un crisol.</li>
		<li>Calentar el polvo catalizador en el crisol de un horno de mufla (aire, 900 ° C, 30 min) para quemar el soporte de carbono. Ponga una tapa en el crisol para evitar que el polvo catalizador volando durante el calentamiento.</li>
		<li>Añadir 4 mL de agua regia (mezcla de 30% HCl y 65% HNO3 en una proporción de volumen de 3:1) en el crisol y la mezcla en un plato caliente a aprox. 80 ° C por 2 h. PRECAUCIÓN: El agua regia es un ácido agresivo y deben ser manejados con cuidado.</li>
		<li>Ajustar el volumen final de 10 mL con agua desionizada.</li>
		<li>Determinar la concentración de Pt en la solución de agua regia de una espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) de15 o una Espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis, se describe a continuación).</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Determinación de la carga de Pt mediante UV-Vis
	<ol>
<li>Mezcla 0,75 mL de 2 M de HCl con 0.25 mL de 1 M SnCl2 preparado en 4 M de HCl en una cubeta de cuarzo y añadir 1 mL de la muestra de agua regia .</li>
		<li>Medir el espectro de UV-vis de una mezcla de 1,75 mL de 2 M de HCl y 0,25 mL de 1 M SnCl2 en 4 M HCl como una línea de base.</li>
		<li>Medir el espectro de UV-Vis de la mezcla de muestra (700 nm - 350 nm).</li>
		<li>Añadir 5 μl de solución estándar de Pt (1.000 ppm) a la solución de la muestra, mezcle bien y medir el espectro de UV-Vis. Repetir la adición de la solución estándar de Pt y la medida 4 veces.</li>
		<li>Restar la absorbancia a 680 nm (línea base) de la absorbancia a 402 nm (parte superior del pico) y la trama contra la concentración de la mayor PT. determinar la concentración de Pt en la muestra de agua regia de la x-intercepto de la curva de calibración.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. girar el disco electrodo (RDE) medición de catalizadores de Pt/C
<ol><li>
Caracterización de la tinta del catalizador a través de medidas de dispersión de la luz
	<ol>
<li>Medir el pH de la tinta de catalizador con un medidor de pH.</li>
		<li>Diluir la tinta de catalizador 50 veces añadiendo IPA/H2O (1:3, v: v) mezcla solvente. Agregar el ácido o la base para mantener el pH de la constante de la tinta de catalizador.</li>
		<li>Medida del potencial zeta de la 50 muestra diluida X usando el modo de dispersión ligera electroforético (ELS)16 del dispositivo de dispersión de la luz.</li>
		<li>Medir el tamaño de los agregados en la muestra diluida con dispersión ligera dinámica (DLS)17 del dispositivo de dispersión de la luz.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Fabricación de película delgada de catalizador
	<ol>
<li>Polaco un electrodo de disco de carbón vidrioso (GC) (a 5 mm de diámetro) y espejo acabado con pasta de alúmina (primero 0.3 μm, luego 0,05 μm), limpie mediante ultrasonidos en agua desionizada.</li>
		<li>Pipetear una alícuota de 5 μl de la tinta de catalizador sobre el electrodo de GC a un Pt de la carga de 10 μgPt cm-2. Seque la tinta de bajo flujo de gas Ar humedecido con una mezcla de agua API y DI (17:3, v: v) en un pelele. Nota: La condición de secado puede ser optimizada cambiando la relación entre la API y DI agua en el burbujeador.</li>
		<li>Confirmar que la superficie del electrodo de GC está uniformemente cubierta con la película fina del catalizador por una cámara CCD.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medidas electroquímicas
	<ol>
<li>Emplear un vidrio electroquímico o celda de politetrafluoroetileno (PTFE) basada en una configuración de tres cámaras en todas las mediciones electroquímicas. Utilizar el electrodo de disco modificado de GC, malla de platino y un electrodo de calomel saturado hidrógeno atrapado (SCE) como electrodo de trabajo, un contraelectrodo y un electrodo de referencia, respectivamente. Nota: Un compartimiento secundario de la célula para el electrodo de referencia debe ser separado de un compartimento principal por una membrana de polieter (p. ej., membrana de nafion) cuando un SCE se utiliza para evitar la difusión de los iones del cloruro.</li>
		<li>Remoje la célula y componentes en ácido mixto (H2SO4: HNO3 = 1:1, v: v) durante la noche. Posteriormente, enjuagar la celda y otros componentes con agua desionizada y hervirlos en DI agua dos veces. Nota: Limpiar la célula con el ácido mezclado al menos una vez al mes (dependiendo de la frecuencia de uso). PRECAUCIÓN: Manipule el ácido mezclado con cuidado. Entre los experimentos electroquímicos, hervir y mantener la célula en DI agua cubierto por una tapa.</li>
		<li>Verter solución de 0.1 M HClO4 electrolito en la celda electroquímica. Coloque los 3 electrodos (el electrodo de trabajo, el contraelectrodo y el electrodo de referencia) en cada compartimento de la célula y conectar los electrodos del potenciostato.</li>
		<li>Medir la resistencia en el electrólito entre el electrodo de trabajo y el capilar de Luggin (caída de iR; Ω ~ 30) y compensar durante el proceso de medición entero usando el esquema analógico comentarios positivos del potenciostato. La resistencia efectiva de la solución resultante es menos de 3 Ω. Nota: Si el potenciostato no tiene un esquema de realimentación analógica, aplicar una compensación de iR gota de software de base.</li>
		<li>Calibrar el electrodo de referencia. El electrolito con H2 del gas de purga y explorar el potencial en una frecuencia de barrido de 50 mV s-1. Determinar el potencial donde la densidad de corriente es igual a 0 mA cm-2 como 0 V versus electrodo de hidrógeno reversible (RHE).</li>
		<li>Purgar el electrolito con gas Ar (aprox. 0,3 L min-1). Limpie los catalizadores potenciales ciclos entre 0.05 y 1,20 V a una frecuencia de barrido de 0,05 V s-1, hasta que un voltagrama cíclico estable se observa (~ 50 ciclos).</li>
		<li>
Realizar mediciones de fondo.
		<ol>
<li>Grabar un voltagrama cíclico (CV) como una medida de fondo. Purgar el electrolito con gas Ar (aprox. 0,3 L min-1). Barrer el potencial entre 0.05 y 1.10 V a una frecuencia de barrido de 0,05 V s-1.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Realizar medición de la actividad de ORR.
		<ol>
<li>Grabar un voltagrama cíclico en el O2-purgado del electrólito (aprox. 0,3 L min-1). Barrer el potencial entre 0.05 y 1.10 V a una frecuencia de barrido de 0,05 V s-1 y una velocidad de rotación de 1.600 rpm.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
CO de realizar stripping voltametría.
		<ol>
<li>Sostener el electrodo de trabajo a 0.05 V durante una purga CO (aprox. 0,3 L min-1) a través del electrolito durante 5 minutos seguido de una purga de Ar (aprox. 0,3 L min-1) durante 10 minutos. Posteriormente barrer el potencial de 0.05 V 1.10 V a una frecuencia de barrido de 0,05 V s-1. PRECAUCIÓN: Compruebe si está permitido el uso de gas de CO; Si es así, este trabajo debe realizarse en una campana de humos y las medidas de seguridad que deba seguirse.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Después de las mediciones electroquímicas, transferir las películas de catalizador en el electrodo de la GC en un papel de tejido presionando los electrodos en el papel humedecido con agua y fotografiar las películas catalizador transferido.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Análisis de datos
	<ol>
<li>Calcular el área superficial electroquímico (ECSA) del catalizador de la carga QCO del pico de oxidación de CO, teniendo en cuenta la velocidad de exploración <img alt="Diagrama de equilibrio estático, ΣFx=0, MA=0, que ilustra los principios de equilibrio de fuerzas y equilibrio mecánico." src="/files/ftp_upload/57105/57105eq1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 1"> , el TP carga L y utilizando un coeficiente de conversión de μC 390 cm-2Pt (proceso de dos electrones) 6. Nota: Como alternativa, la ECSA puede calcularse de la zona de (Q,H) deupd de H de un voltagrama cíclico en electrolito Ar-purgado utilizando un coeficiente de conversión de μC 195 cm-2Pt (proceso de un electrón). <img alt="Ecuación de transferencia de calor \(Q_{CO,H} = \int \frac{j\,dE}{v}\), análisis de fórmulas." src="/files/ftp_upload/57105/57105eq2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 2"> <img alt="Fórmula ECSA, cálculo electroquímico del área de superficie, ecuación para el análisis de la actividad del catalizador" src="/files/ftp_upload/57105/57105eq3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 3">
</li>
		<li>El fondo nonfaradaic restando el voltagrama cíclico en Ar-purgado del electrólito del voltagrama correcto registrado en O2-purgado del electrólito. Determinar la densidad de corriente cinética ORR, jk, usando la exploración anódica del voltagrama corregida y ecuación de Koutecky-Levich: <img alt="Fórmula del sistema óptico, 1/j=1/jk+1/jd, ecuaciones para el análisis de la configuración de la lente." src="/files/ftp_upload/57105/57105eq4.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Equation 4"> Nota: Aquí j y jd son representativos de la densidad de corriente de medición y difusión limitar la densidad de corriente, respectivamente.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Es bien sabido que la actividad de ORR de catalizadores de alta área superficial medido por la técnica de TF-RDE altamente depende de la uniformidad del catalizador película fina6,9,10,14,19 . Varios grupos han informado de métodos de fabricación de películas delgadas de catalizador homogéneo en los electrodos de la GC y los investigadores cuidadosamente deben optimizar su método de secado al entrar en esta área de investigación20. Utilizando métodos de rotación19 permite una mayor flexibilidad en la capa de películas gruesas de catalizador, mientras que métodos fijos tienen la ventaja de que pueden preparar electrodos múltiples al mismo tiempo. Como un ejemplo de un método de secado estacionario, Shinozaki et al informó recientemente catalizador uniforme de películas delgadas son fabricadas por secado de la tinta de catalizador en un ambiente de IPA10. La fabricación de las películas finas de catalizador en este protocolo se basa en su método. Sin embargo, las tintas de catalizador se secan en un flujo de gas humidificado en vez de un ambiente estacionario (protocolo 3.3.2). La ventaja de este método modificado es la condición de secado puede ajustarse fácilmente cambiando la relación entre la IPA y agua en el burbujeador. Figura 8 indica que la uniformidad de la película fina del catalizador está optimizada cambiando la condición de la humidificación.
<img alt="El patrón de secado da como resultado varias proporciones de isopropanol-agua en placas de Petri; Diagrama de efecto de humedad." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig8.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 8"> Figura 8: fotografías del catalizador fino fabricada en electrodos de GC con varias condiciones de secado de la película. La relación entre isopropanol (IPA) y H2O en el borboteador cambió para optimizar las condiciones de secado. (a) 100% IPA, IPA (b) 90% / 10% H2O, IPA (c) 80% / 20% H2O, IPA d 70% / 30% H2O. (c) cuenta con las mejores condiciones de secado en este caso, el catalizador más homogéneo película delgada es fabricación del electrodo de la GC. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig8large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
También se encontró que el pH de las tintas de catalizador es un parámetro importante a ser optimizada para obtener el catalizador homogéneo de películas delgadas, según lo divulgado en la literatura14. Figura 9 muestra la variable estabilidad de tintas del catalizador con diferentes pH. Puesto que el ácido clorhídrico se utiliza para el lavado de NPs de Pt en el protocolo 1.3.3, la tinta del catalizador se convierte generalmente ácida sin el agregado de KOH. La tinta ácida del catalizador no es particularmente estable y la mayoría de las partículas de catalizador de Pt/C colocar en la parte inferior 1 semana después de la sonicación. La tinta neutra es más estable que la tinta ácida, aunque se observan algunos precipitados en la parte inferior. La tinta alcalina es más estable y no precipitado se ve 1 semana después de la sonicación. Esta dependencia del pH de la estabilidad de la tinta del catalizador se explica por la magnitud del potencial zeta que se vuelve más grande con el aumento de pH14.
<img alt="Dispersión de nanomateriales, tres viales, configuración de prueba de estabilidad, diagrama de evaluación de uniformidad de dispersión." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig9.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 9"> Figura 9: fotografías de las tintas de catalizador con diferentes pH: ≈ (izquierda) pH 4, pH (medio) ≈ 7, (derecha) pH ≈ 10. Las fotografías son tomadas una semana después de la sonicación. La dispersión de la tinta ácida es mucho menos estable que el neutro y la tinta alcalina.
No sólo la estabilidad de las tintas de catalizador, pero también la uniformidad de la película fina del catalizador obtenido depende del pH de la tinta del catalizador. Se obtienen películas finas de catalizador altamente aglomerado tintas ácidas son utilizados (figura 10ad). Aunque no hay diferencias significativas visibles a la vista entre las películas finas de catalizador fabricadas de la tinta neutra y de la tinta alcalina (figura 10bc), imágenes de SEM revelan que hay algunos aglomerados en la película delgada de catalizador Obtenido de la tinta neutra, mientras que no hay aglomeraciones importantes se ven en la película delgada de catalizador de la tinta alcalina (figura 10ef).
<img alt="efecto de tinta de pH en la textura del papel; imágenes de microscopía óptica (a-c) pH 4-10; Imágenes SEM (d-f) escala 20μm." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig10.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 10"> Figura 10: fotografías de las películas de catalizador transfieren en un papel (-c) y SEM imágenes de las películas de catalizador en los electrodos de la GC (d-f). (a, d) Película de catalizador de ácido (pH ≈ 4) tinta (b, e) catalizador de la película de tinta neutra (pH ≈ 7) y (c, f) catalizador película de alcalina (pH ≈ 10) tinta. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig10large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Además de la calidad de la película del catalizador, la exploración del tipo4 y la compensación de la resistencia celular influye en la determinación de actividad de ORR8. En nuestra configuración de medición, la resistencia de la célula sin compensación de iR es generalmente alrededor de 30 Ω. Se reduce a ser menos de 3 Ω mediante el uso de la compensación de iR de potenciostato (Fig. 11ab). Los vehículos medidos en electrolito saturado de O2 con y sin compensación de iR se comparan en la figura 11C. Un sensible cambio de potencial debido a la resistencia de la célula se considera en alrededor de 0,9 VRHE, donde se evalúa la actividad de ORR. Como una tarifa de exploración de la LSV, elegimos 50 mV s-1, mientras que los otros5 prefieren 20 mV s-1 y membrana electrodo asambleas (MEAs) a menudo se prueba bajo condiciones de estado estacionario4. En general, puede ser indicado para estudios de TF-RDE que cuanto menor sea la frecuencia de barrido, la medición se hace susceptible a posibles contaminaciones. En la prueba de la MEA, se aplican corrientes considerablemente más altas. En particular para aplicaciones de automoción, rendimiento de alta potencia es particularmente interesante21. Exploración del potencial daría lugar a errores significativos si no se aplica compensación de iR en línea.
Debido a estas diferencias, predicciones directas de rendimiento MEA basados en mediciones de TF-RDE deben tomarse con precaución. TF-RDE puede considerarse como un método rápido de la pantalla de prueba la actividad intrínseca de ORR de catalizadores de la PEMFC, en lugar de una alternativa a las pruebas de MEA.
<img alt="Configuración de medición electroquímica, lecturas de ohmios, densidad de corriente frente a gráfico de potencial, compensación IR." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig11.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 11"> Figura 11: influencia de la compensación de iR en la medida de. (a, b) Imágenes de la interfaz de programa de "EC4 DAQ" con y sin compensación de iR. (c) vehículos medición en electrólito de2 saturado O con compensación de iR (rojo) y sin compensación de iR (gris) (50 mV s-1, 1.600 rpm, terreno trasero restado). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig11large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
El procedimiento general se resume en Figura 12. Además de los métodos de caracterización estándar discutido suspensión coloidal obtenida de Pt NPs y el catalizador de Pt/C también se pueden investigar por métodos más avanzados tales como rayos x de pequeño ángulo dispersión (SAXS)22 o espectroscopia de la absorción de rayos x (XAS) 23.
<img alt="Diagrama del proceso de síntesis de nanopartículas con pasos: síntesis, lavado, dispersión, pruebas." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig12.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 12"> Figura 12: Resumen de los pasos experimentales. Correspondientes métodos de caracterización y parámetros controlables para cada etapa experimental en este protocolo se muestran. TEM = microscopía electrónica de transmisión, SAXS = dispersión de rayos-x de ángulo pequeño, EXAFS = absorción de rayos x extendida bellas estructura, XANES = estructura de fina de absorción por rayos x, ICP-MS = plasma acoplado inductivamente espectrometría de masas, DLS = dispersión dinámica de luz, CCD = dispositivo de carga acoplada, SEM = microscopía electrónica. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig12large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

El creciente uso de fuentes de energía renovables como el viento o energía solar requieren la capacidad de almacenar y volver a convertir grandes cantidades de energía eléctrica. En este sentido, la aplicación de los portadores de energía química, como el hidrógeno, es un prometedor camino1. Electrólisis del agua pueden producir hidrógeno a partir de la energía eléctrica sobrante, mientras que PEMFCs eficientemente a convierten el hidrógeno en electricidad. Sin embargo, para aplicaciones de gran escala, como los automóviles, el contenido de metales (PGM) grupo precioso en PEMFCs debe reducirse significativamente para bajar los costos. En la literatura científica, se presentan varios sistemas de catalizador2 , que se ha reportado que exhibe el potencial de cumplir con estos requisitos basados en TF-RDE semipila prueba3.
TF-RDE medidas llegó a ser extremadamente populares en la investigación de la PEMFC y ahora se utilizan como un método estándar para comparar diferentes catalizadores de la PEMFC. Sin embargo, para catalizadores similares, diferencias significativas en la actividad de reacción (ORR) de reducción de oxígeno o superficies electroquímicas (ECSA) se divulgan a menudo por grupos de investigación4. Como consecuencia, varios grupos trabajados en mejorar los procedimientos experimentales y definir mejores procedimientos de cómo probar la PEMFC catalizadores5de investigación. En primer lugar, factores como la carga de catalizador, contaminación del electrodo de referencia, compensación de iR, etc. fueron destacados6,7,8; mientras que en los últimos años, la influencia de las propiedades del catalizador en funcionamiento entró en foco9,10. Por ejemplo, podría ser demostrado que actividad de ORR y ECSA dependen de la composición de la tinta de catalizador, que influye en la homogeneidad de la película de catalizador en el electrodo de carbón vidrioso (GC) utilizado como sustrato. El incremento observado en la superficie de Pt medido sobre la adición de isopropanol a la tinta de catalizador es especialmente sorprendente a primera vista, pero estos resultados apuntan hacia la importancia del apoyo de carbón mojado. Otro factor importante (y relacionado) es el transporte masivo. TF-RDE se limita a bajas densidades de corriente debido a la solubilidad del gas baja en el electrólito11,12,13. Por lo tanto, se asume a menudo que en dichas capas extremadamente finas de catalizador (aprox. 1 μm), transporte masivo reactivo desempeña un papel limitado. Sin embargo, en trabajos muy recientes, se demostró que ajuste el pH de la tinta, conduce a un aumento considerable en la actividad de ORR en catalizadores caseros14. Estos ejemplos destacan en las mediciones de la TF-RDE, cuidadosos controles son necesarios, y que dependiendo del catalizador, sería difícil definir una norma única receta de protocolo de la prueba.
Por lo tanto, en el trabajo presentado, se discute un procedimiento paso a paso para sintetizar y probar un catalizador estándar de pila de combustible de Pt/C. El procedimiento incluye síntesis de catalizador, su caracterización y la preparación de la tinta y ajuste así como las medidas electroquímicas de TF-RDE. El propósito del procedimiento es aumentar la conciencia sobre algunas fuentes de errores y dificultades experimentales, así como proporcionar una receta para un posible catalizador de referencia de Pt/C.

<table><tbody><tr><td>Etilenglicol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>293237-1L</td><td>99.8%</td></tr><tr><td>Hidróxido de sodio</td><td>Fisher Chemical</td><td></td><td>AC134070010 98%</td></tr><tr><td>Ácido hexacloroplatínico (IV) hexahidratado</td><td>Alfa Aesar</td><td>11051</td><td>99.9%</td></tr><tr><td>Ácido clorhídrico</td><td>Merck</td><td></td><td>1003171000 37%</td></tr><tr><td>Ácido nítrico</td><td>Cualquier</td><td></td><td>60%</td></tr><tr><td>Ácido sulfúrico</td><td>Cualquier</td><td></td><td>96%</td></tr><tr><td>Ácido perclórico</td><td>Merck</td><td>1005170250</td><td>70%, Suprapur</td></tr><tr><td>Hidróxido de potasio hidratado</td><td>Merck</td><td>1050020500</td><td>99.995%, Suprapur</td></tr><tr><td>Estaño (II) cloruro dihidratado</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>31669-100G</td><td>>98%</td></tr> <tr><td>Platino estándar para AAS</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>47037-100ML</td><td>1000 mg / L &plusmn; 4 mg/L</td></tr><tr><td>Acetona</td><td>Alfa Aesar</td><td>30698</td><td>99.5+%</td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>Alfa Aesar</td><td>36644</td><td>99.5%</td></tr><tr><td>Negro de humo</td><td>Cabot</td><td>Vulcan XC 72R</td><td></td></tr><tr><td>46 % en peso Pt/C</td><td>Tanaka Kikinzoku Kogyo</td><td>TEC10E50E</td><td></td></tr><tr><td>Ar gas</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>99.999%</td></tr><tr><td>O2 gas</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>99.999%</td></tr><tr><td>CO gas</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>99.97%</td></tr><tr><td>H2 gas</td><td>Air Liquide</td><td></td><td>99.999%</td></tr><tr><td>Reactor de microondas</td><td>CEM</td><td>Centrífuga Discover SP</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Corning</td><td>6759</td><td></td></tr><tr><td>Evaporador rotativo</td><td>KNF</td><td>RC600</td><td></td></tr><tr><td>Baño ultrasónico</td><td>Qualilab</td><td>USR 54 H</td><td>35 kHz, 160/320 W</td></tr><tr><td>Papel de filtro</td><td>Albet</td><td>DP595 055</td><td>Tasa de retención 4-7 &micro; m, &phi; Crisol de 55 mm</td></tr><tr><td></td><td>VWR</td><td>459-0202 Tapa de</td><td>12 mL</td></tr><tr><td>para crisol</td><td>VWR</td><td>459-0216</td><td>&phi; </td></tr> Medidor de pH de 35 mm <tr><td></td><td>VWR</td><td>Symphony SP70P</td><td></td></tr><tr><td>Electrodo de vidrio (para medidor de pH)</td><td>Mettler Toledo</td><td>InLab Routine</td><td></td></tr><tr><td>Dispersión de luz</td><td>Anton Paar</td><td>Microscopio TEM LITESIZER</td><td></td></tr><tr><td></td><td>FEI</td><td>Tecani Spirit</td><td></td></tr><tr><td>Rejilla TEM</td><td>Quantifoil</td><td>N1-C73nCu20-01 Película de</td><td>carbono clásica, malla Cu 200</td></tr><tr><td>Rejilla TEM</td><td>Quantifoil</td><td></td><td>Película de carbono agujereada clásica, malla de Cu 200</td></tr><tr><td>Rejilla TEM</td><td>Quantifoil</td><td>N1-C74nCu20-01</td><td>Película de carbono de encaje clásica, malla de Cu 200</td></tr><tr><td>espectrofotómetro UV-vis</td><td>Varian</td><td>CARY 5E</td><td></td></tr><tr><td>Electrodo de calomel saturado</td><td>Schott</td><td>B3510+</td><td></td></tr><tr><td>Membrana perfluorada</td><td>Almacenamiento de pila de combustible</td><td>591239</td><td>Nafion 117</td></tr><tr><td>Rotor RDE</td><td>Raiómetro Analítico</td><td>EDI101</td><td></td></tr><tr><td>Potenciostato</td><td>Electroquímica Nórdica</td><td>ECi 200</td><td></td></tr><tr><td>Programa de control y adquisición de datos</td><td>Electroquímica Nórdica</td><td>EC4 DAQ</td><td></td></tr><tr><td>Programa de análisis de datos</td><td>Electroquímica Nórdica</td><td>EC4 VIEW</td><td></td></tr></tbody></table>

en la preparación y ensayo de catalizadores de célula combustible utilizando el método de electrodo de disco giratoria de película delgada

On the Preparation and Testing of Fuel Cell Catalysts Using the Thin Film Rotating Disk Electrode Method

Presentamos un tutorial paso a paso para preparar el intercambio de protón catalizadores de célula de combustible (PEMFC) de membrana, que consta de nanopartículas de Pt (NPs) apoyaron en un carbón de alta área superficial y para probar su funcionamiento en película delgada girando electrodo de disco (TF-RDE) mediciones. La metodología de TF-RDE es ampliamente utilizada para el catalizador cribado; sin embargo, el rendimiento medido a veces considerablemente difiere entre grupos de investigación. Estas incertidumbres impiden el avance de los nuevos materiales del catalizador y, en consecuencia, varios autores discuten posible mejores métodos de práctica y la importancia del benchmarking.
El tutorial visual destaca trampas posibles en la prueba de TF-RDE de catalizadores de Pt/C. Se presenta una síntesis y Protocolo de pruebas para evaluar catalizadores de Pt/C estándar que puede utilizarse junto con discos de Pt policristalinos como catalizadores de la referencia. En particular, este estudio pone de relieve cómo las propiedades de la película de catalizador en el electrodo de carbón vidrioso (GC) influyen en el rendimiento medido en la prueba de TF-RDE. Para obtener películas de catalizador fina y homogénea, no sólo la preparación del catalizador, pero también el depósito de tinta y secado procedimientos son esenciales. Está demostrado que un ajuste del pH de la tinta puede ser necesario y simple control de mediciones se pueden utilizar para comprobar la calidad de la película. Una vez se obtienen mediciones reproducibles TF-RDE, determinar la carga de Pt en la ayuda del catalizador (expresada como % en peso de Pt) y la superficie electroquímica es necesario normalizar las tasas de reacción determinada superficie o masa Pt. Para la determinación de la superficie, llamada CO stripping o la determinación de la carga de underpotential deposición (Hupd) hidrógeno, son estándar. Para la determinación de la carga de la Pt, se introduce un procedimiento sencillo y barato utilizando digestión en agua regia con posterior conversión de platino (II) y UV-vis de las mediciones.

Se obtiene una suspensión coloidal, marrón oscurezca de NPs de Pt de protocolo sección 1.1 (figura 1, izquierda). La suspensión coloidal es tan estable que puede ser almacenado por más de 1 mes sin ninguna precipitación. Mayor Pt NPs son sintetizados por la disminución de la concentración de NaOH18. Sin embargo, la suspensión coloidal se convierte en menos estable por la disminución de la concentración de NaOH. Como un ejemplo extremo, completamente aglomerado Pt NPs se obtienen cuando el precursor del Pt se calienta en EG sin NaOH (figura 1, derecha).
<img alt="Proceso de sedimentación del suelo; tubos de ensayo con partículas sedimentadas y suspendidas; Experimento de sedimentación." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig1.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 1"> Figura 1: fotografía de las suspensiones coloidales de NPs de Pt en EG. (Izquierda) Bien dispersos Pt NPs se obtuvieron siguiendo el protocolo 1.1. (Derecha) Aglomerado Pt NPs obtenidos calentando el precursor de Pt en EG sin NaOH.
Catalizador de Pt/C bien disperso se obtiene a partir del protocolo sección 1.2, como se muestra en la Figura 2a. Cuando menos una suspensión coloidal estable, por ejemplo, de mayor NPs de Pt se utiliza, importante aglomeración de NPs de Pt con el apoyo de carbono puede observarse (figura 2b).
<img alt="Imágenes TEM de nanopartículas; comparación de la morfología del material; barra de escala 50 nm; microscopía electrónica." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig2.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 2"> Figura 2: imágenes TEM de catalizadores de Pt/Vulcan de 50 wt.%. (un) 2 nm Pt NPs están bien dispersos en los soportes de carbono. (b) 4 nm Pt NPs son aglomerados en los soportes de carbono.
Resultados representativos de la medición de UV-Vis para la determinación de la concentración de Pt en aqua regia (protocolo 2.4) se muestran en la figura 3a. Cuando SnCl2 se agrega a la muestra de agua regia , se reduce el Pt en el agua regia de platino a Pt(II), conduce a una solución de color amarillo. Figura 3b es la curva de calibración obtenida de los espectros de la figura 3a. De esta curva de calibración, la concentración de Pt en la mezcla de muestra se determina ser 3,68 ppm.
<img alt="Espectros de absorbancia y gráfico de calibración para análisis de concentración de Pt, método de cromatografía, datos espectroscópicos." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig3.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 3"> Figura 3: resultados representativos de la medición de UV-Vis para la determinación de la concentración de Pt en aqua regia. (un) UV-vis espectros de la muestra de agua regia con SnCl2 antes y después de agregar la solución estándar de Pt (5-20 μl). (b) calibración curva obtenida trazando las diferencias entre la absorbancia a 402 nm y la absorbancia a 680 nm contra la concentración del agregado Pt. La concentración de Pt en la solución de la muestra se determina del x-intercepto de la curva de calibración. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Figuras 4a-b son ejemplos representativos de una fina capa de catalizador homogéneo fabricado en un electrodo de GC siguiendo el protocolo de 3.2. Toda la superficie del electrodo de GC está cubierta por la película de catalizador uniformemente sin cualquie aglomeración significativa. Figura 4 c-d son películas delgadas de catalizador no homogéneo típico fabricadas por secado de la tinta de catalizador en el aire. El catalizador aglomerados en el borde del electrodo GC y forma un anillo llamado café del19.
<img alt="Análisis de microestructura SEM de dos superficies recubiertas a 100 μm, mostrando diferencias de textura superficial." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig4.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 4"> Figura 4: fotografías y SEM imágenes de catalizador homogéneo y no homogéneo de delgada película fabricada en un electrodo GC. (a, b) Película fina de catalizador homogéneo fabricada siguiendo el protocolo. (c, d) Película fina de catalizador no homogéneo con un "anillo de café" fabricado por secado de la tinta de catalizador en el aire. (a) y (c) son todo fotos del catalizador de películas delgadas. (b) y (d) son imágenes de SEM de catalizador de películas delgadas en el borde de los discos de GC.
Figura 5 es un ejemplo de un voltagrama cíclico medido en electrolito saturado de H2 para la calibración del electrodo de referencia potencial RHE (protocolo 3.3.5). La media de los potenciales donde la densidad de corriente es 0 mA cm-2 tanto en la exploración va positivo y la exploración va negativo se define como '0 V vs RHE'.
<img alt="Gráfico de análisis electroquímico; densidad de corriente frente a potencial; Resultados del experimento de voltamperometría." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig5.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 5"> Figura 5: Voltagrama cíclico en H2 saturado electrólito para la calibración del potencial del electrodo de referencia contra RHE (50 mV s-1, 1600 rpm). La media de los potenciales donde la densidad de corriente es 0 mA cm-2 tanto en la positiva va escanear y el negativo va escanear se define como 0 V vs electrodo de hidrógeno reversible (RHE) (ver punteada líneas rojas).
Se muestra en la figura 6 son voltagramas cíclicos en electrolito saturado Ar y voltamperogramas de barrido lineal (LSV) en electrólito saturado de O2 para el 50% de peso catalizador Pt/Vulcano, Obtenido de la medición de RDE (protocolo 3.3.7 y 3.3.8). Después de ciclos de limpieza suficientes en el paso de protocolo 3.4.6, se obtiene el CV rojo en la Figura 6a . Cuando el catalizador no se limpia lo suficiente, el hombro del pico de oxidación Pt alrededor de 0.8 V es menos fuerte que el de catalizador bien limpio (Figura 6a, CV gris). La forma de la LSV en el electrolito saturado O2 es muy sensible a la calidad de la película fina del catalizador (figura 6b). Cuando el catalizador de película delgada es homogénea como en la figura 4a, la difusión de O2 limitar la densidad de corriente (por debajo de 0,8 V) se observa alrededor de-6 mA cm-2y el hombro de la curva LSV alrededor 0.8 V es agudo (figura 6b, rojo). Por otro lado, la difusión de O2 limitar la densidad de corriente es menor y el hombro de la curva de la LSV es menos agudo cuando la película delgada de catalizador es no homogénea, como en la figura 4C, o no se cubre la superficie del electrodo de GC con el película fina de catalizador.
<img alt="Gráficos de voltametría cíclica que muestran la densidad de corriente frente al potencial; Análisis electroquímico." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig6.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 6"> Figura 6: ejemplos representativos de voltamperogramas "buenos" y "malos" para el 50% de peso catalizador Pt/Vulcan. (un) cíclico voltamperogramas en Ar saturan electrólito (50 mV s-1). (b) vehículos en O2 electrolitos saturado (1.600 rpm, 50 mV/s, exploración positiva va, fondo restado, iR compensado). <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Se muestra en la figura 7 son un cíclico voltagrama grabado en electrolito saturado de Ar con la zona deupd H indicada (una) y un CO desmontaje voltagrama con la carga de extracción indicada (b). Ambas medidas fueron obtenidas de un 50% en peso de catalizador de Pt/Vulcan. Desde el área bajo los picos, se calcula la superficie de Pt (ECSA), consulte el paso 3.4.1.
<img alt="Gráficos de voltametría cíclica con análisis de densidad potencial vs. corriente; Estudio electroquímico." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57105/57105fig7.jpg" data-altupdatedat="1754922859000" data-alt="Figure 7"> Figura 7: Representante voltagrama cíclico y voltagrama desmontaje CO (b) para el 50% de peso catalizador Pt/Vulcan (50 mV s-1). La carga de laupd de H y CO desmontaje a cargo se destacan en azul cielo y rosa, respectivamente. <a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57105/57105fig7large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Resultados de la medición de la RDE del 50% de peso catalizador Pt/Vulcan (ECSA, actividad específica de ORR y actividad total en 0,9 VRHE) se resumen en la tabla 1. Los resultados para el catalizador de Pt/C comercial con similar tamaño de partícula de Pt y similares Pt carga se muestran en la tabla así.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td></td>
			<td>Tamaño de partícula de PT</td>
			<td>ECSA</td>
			<td>Actividad específica de ORR</td>
			<td>Actividad masiva de ORR</td>
		</tr>
<tr>
<td></td>
			<td>[nm]</td>
			<td>[m2 g-1Pt]</td>
			<td>ΜA cm-2Pt</td>
			<td>[Un g-1Pt]</td>
		</tr>
<tr>
<td>50 wt.% Pt/Vulcan</td>
			<td>2</td>
			<td>102 ± 3</td>
			<td>852 ± 66</td>
			<td>879 ± 82</td>
		</tr>
<tr>
<td>wt.% 46 Pt/C (TKK)</td>
			<td>2-3</td>
			<td>93 ± 3</td>
			<td>738 ± 30</td>
			<td>683 ± 31</td>
		</tr>
</tbody></table>Tabla 1: Resumen de resultados de las mediciones de la TF-RDE para el catalizador de Pt/Vulcan 50 wt % y el comercial 46% en catalizador de Pt/C. Los valores medidos se muestran con la desviación estándar. ECSA = superficie electroquímico, ORR = reacción de la reducción de oxígeno, TKK = Tanaka Kikinzoku Kogyo.

Preparación y prueba de catalizadores de Pt/C célula de combustible están sujeto a discusión continua en la comunidad científica con respecto a la reproducibilidad y la mejor práctica. Con el trabajo presentado, pretendemos presentar un tutorial paso a paso para hacer y probar catalizadores de Pt/C, que pueden servir como punto de referencia para los sistemas de catalizador nuevo.

En la preparación y ensayo de catalizadores de célula combustible utilizando el método de electrodo de disco giratoria de película delgada

We present a step-by-step tutorial to prepare proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) catalysts, consisting of Pt nanoparticles (NPs) supported on a ...

El objetivo general de este procedimiento es preparar y probar catalizadores de pilas de combustible con buena reproducibilidad. Las mediciones reproducibles de electrodos de disco giratorio de película delgada de un catalizador estándar pueden servir como punto de referencia para nuevos catalizadores. Las pruebas de catalizadores de pilas de combustible con el método RDE de película delgada requieren experiencia.Este tutorial te ayudará a evitar las típicas trampas experimentales de este método. La principal ventaja de este protocolo es que incluye la preparación de catalizadores de referencia. Este protocolo proporciona actividades de catalizador de platino y carbono basadas en el área de superficie y la masa del platino.Recuerde determinar siempre el contenido real de platino de su catalizador antes de realizar la prueba. Para comenzar el procedimiento, coloque en un recipiente de reacción de microondas cuatro mililitros de una solución 0,4 molar de hidróxido de sodio en etilenglicol y cuatro mililitros de una solución de 40 milimolares de ácido cloroplatínico en etilenglicol. Equipe el recipiente con una barra agitadora.Calienta la mezcla en un reactor de microondas durante tres minutos a 160 grados centígrados mientras remueves suavemente. Transfiera 7,3 mililitros de la suspensión de nanopartículas de platino coloidal resultante a un tubo de centrífuga. Precipite las dos nanopartículas nanométricas de platino con 30 mililitros de ácido clorhídrico molar.Centrifugar la mezcla a 2.900 veces g durante cinco minutos y desechar el sobrenadante. Repetir la centrifugación en ácido clorhídrico y retirar el sobrenadante dos veces más para terminar de lavar las nanopartículas. A continuación, redistribuya las nanopartículas de platino en siete mililitros de acetona agitando manualmente el recipiente.Dispersa 27,5 miligramos de negro de humo en un mililitro de acetona por sonicación. Combine las dispersiones en un matraz de fondo redondo. Utilice un evaporador rotativo o una línea Schlenk para eliminar completamente la acetona.Seque el platino resultante en polvo catalizador de carbono a 120 grados centígrados durante la noche. A continuación, llene un baño ultrasónico con agua fría. Añadir 20 mililitros de agua desionizada al platino seco sobre polvo de catalizador de carbono, y sonicar la mezcla en el baño ultrasónico frío durante tres minutos.Recoja el polvo en papel de filtro con poros de cuatro a siete micrómetros. Lava el polvo con 200 mililitros de agua desionizada. Luego, seque el polvo durante la noche en un horno de vacío a 100 a 120 grados centígrados y 10 kilopascales para obtener el 50 por ciento en peso de platino en polvo de catalizador de carbono.Antes de la caracterización, seque el polvo de platino sobre catalizador de carbono durante la noche en el horno de vacío a 80 grados centígrados y 10 kilopascales. Pese el polvo de catalizador seco en un crisol cerámico con tapa. Coloque el crisol cubierto en un horno de mufla.Caliente el polvo a 900 grados centígrados durante 30 minutos en el aire para quemar el soporte de carbono. Luego, apague el horno y deje que el polvo se enfríe a temperatura ambiente en el horno durante la noche. A continuación, añade cuatro mililitros de agua regia al polvo.Calienta la mezcla en una placa caliente a 80 grados centígrados durante dos horas para digerir el platino. Luego, diluya la solución a 10 mililitros con agua desionizada. Mezcle 0,75 mililitros de ácido clorhídrico de dos molares con 0,25 mililitros de cloruro de estaño (II) molar preparado en ácido clorhídrico de cuatro molares en una cubeta de cuarzo, y agregue un mililitro de la muestra de agua regia.Utilice una mezcla de 1,75 mililitros de ácido clorhídrico de dos molares y 0,25 mililitros de cloruro de estaño de dos molares en ácido clorhídrico de cuatro molares como fondo de disolvente. Revuelva bien la mezcla con una barra pequeña para revolver. Adquiera un espectro UV vis de la mezcla de muestra de 700 a 350 nanómetros y realice la sustracción de fondo.Determine la concentración de platino en la muestra mediante el método de adición estándar utilizando una solución estándar de platino de 1000 ppm. Para comenzar a preparar la tinta del catalizador, mezcle 6,3 miligramos de platino al 50% en peso sobre polvo de catalizador de carbono con seis mililitros de agua desionizada. Combina esta mezcla con dos mililitros de alcohol isopropílico.Agregue aproximadamente 10 microlitros de hidróxido de potasio molar para ajustar el pH de la tinta a aproximadamente 10. Sonicar la mezcla de tinta en un baño ultrasónico frío durante 15 minutos. Compruebe el pH de la tinta cuando termine.Diluya la tinta del catalizador 50 veces con una mezcla de uno a tres por volumen de alcohol isopropílico y agua desionizada. Use ácido o base según sea necesario para ajustar el pH a 10. Mida el potencial zeta de la muestra de tinta catalizadora mediante dispersión de luz electroforética.Mida los tamaños de los agregados con dispersión dinámica de la luz. A continuación, pula un electrodo de disco de carbono vítreo de cinco milímetros hasta obtener un acabado de espejo con pastas de alúmina de 0,3 micrómetros y 05 micrómetros en secuencia. Limpie el electrodo por sonicación en agua desionizada después de cada paso de pulido.Seque el electrodo limpio y pulido con gas argón. Luego, pase una línea de gas argón a través de un burbujeador que contiene una mezcla de 17 a tres por volumen de alcohol isopropílico y agua desionizada. Pipetee cinco microlitros de tinta catalizadora en el electrodo pulido para lograr una carga de platino de 10 microgramos de platino por centímetro cuadrado.Secar lentamente la tinta con un chorro de gas argón humidificado con la mezcla de alcohol isopropílico y agua desionizada. La obtención de una película catalizadora delgada y homogénea en el electrodo de carbono vítreo es extremadamente importante. Animamos a todos a que dediquen algún tiempo a probar diferentes condiciones y procedimientos para averiguar qué funciona mejor para usted.Una vez que el platino de la película del catalizador de carbono esté seco, use una cámara CCD para verificar que la película cubra uniformemente la superficie vítrea del electrodo de carbono. Para comenzar la configuración de la medición electroquímica, ensamble una celda electroquímica limpia de vidrio o politetrafluoroetileno de tres compartimentos. Conecte un electrodo de disco de carbono vítreo recubierto de catalizador a un rotor de electrodos.Llene la celda electroquímica con ácido perclórico 0,1 molar en el electrolito. Coloque el electrodo de disco de carbono vítreo recubierto de catalizador en un compartimento de la celda electroquímica como electrodo de trabajo. Coloque una malla de platino y un electrodo de hidrógeno atrapado o calomelano saturado equipado con un capilar Luggin en los otros dos compartimentos como electrodos de contador y referencia, respectivamente.Conecte los electrodos a un potenciostato. Mida la resistencia en la solución de electrolito entre el electrodo de trabajo y el capilar Luggin. Configure el potenciostato para compensar esta resistencia mediante el esquema de retroalimentación positiva analógica.Después de calibrar el potencial del electrodo de referencia contra el potencial del electrodo de hidrógeno reversible y limpiar el catalizador, adquiera un voltamperografía cíclica en electrolito saturado con argón. Luego, purgue el electrolito con gas oxígeno durante 10 minutos. Comience a girar el electrodo de carbono vítreo a 1600 rpm.Registre un voltamperografía cíclica con el barrido de potencial entre 05 y 1,10 voltios frente a un electrodo de hidrógeno reversible a 05 voltios por segundo. A continuación, sostenga el electrodo de trabajo a 05 voltios. Purgue el electrolito con gas monóxido de carbono durante cinco minutos seguido de gas argón durante 10 minutos.Luego, barra el potencial de 05 voltios a 1,10 voltios a 05 voltios por segundo. Una vez finalizado el voltampograma de extracción de monóxido de carbono, humedezca un trozo de tejido de laboratorio con agua desionizada. Presione el electrodo de carbón vítreo sobre el papel mojado para transferir la película catalizadora.Fotografíe la película del catalizador después de la transferencia. Transferir la película del catalizador probado al papel mojado es una manera fácil de ver si la película permaneció intacta durante la medición. Se preparó platino bien disperso en polvo catalizador de carbono utilizando dos partículas nanométricas de platino metálico de una suspensión coloidal estable.Cuando se utilizaron suspensiones menos estables, como las que tienen una concentración más baja de hidróxido de sodio, se produjo una aglomeración significativa de nanopartículas de platino en el soporte de carbono. El secado del platino sobre tinta catalizadora de carbono con un flujo de gas argón humidificado fue esencial para obtener una película delgada homogénea en el electrodo. El efecto de anillo de café se observó cuando la tinta se secó en el aire ambiente, con el catalizador aglomerando alrededor del exterior del electrodo.La uniformidad de la película delgada se ajustó aún más ajustando las condiciones de humidificación. Un pH más alto de la tinta catalizadora mejoró tanto la estabilidad de la solución de la tinta catalizadora como la uniformidad de la película delgada. La limpieza del catalizador de película delgada mediante el ciclo del potencial del electrodo en ácido perclórico saturado con argón fue importante para obtener picos bien definidos durante las mediciones.El voltammograma de barrido lineal en ácido perclórico saturado con oxígeno fue altamente sensible a la calidad de la película del catalizador. El LSV de una película homogénea mostró una densidad de corriente limitada por difusión de oxígeno de aproximadamente 6 miliamperios por centímetro cuadrado, con un hombro agudo en la curva LSV. Una película no homogénea mostró una densidad de corriente más pequeña y un hombro más ancho.Una vez dominado, la caracterización de la síntesis y las pruebas electroquímicas de RDE de película delgada de un catalizador de pila de combustible estándar se pueden realizar en dos días si se realizan correctamente. No olvide que trabajar con ácido concentrado y monóxido de carbono puede ser extremadamente peligroso. Use siempre una bata de laboratorio, gafas protectoras y guantes.Los sensores de gas para monóxido de carbono e hidrógeno deben estar siempre activos en su laboratorio mientras se realizan estos experimentos. Al intentar este procedimiento, recuerde que la limpieza es crucial para obtener resultados confiables en las mediciones electroquímicas. Recomendamos preparar el catalizador y realizar las pruebas electroquímicas en dos laboratorios separados.Además de este procedimiento, se pueden realizar métodos de caracterización de catalizadores como pruebas de degradación, dispersión de rayos X de ángulo pequeño o espectroscopia de absorción de rayos X in situ para responder preguntas adicionales sobre la funcionalidad de su catalizador. Después de su desarrollo, la técnica RDE de película delgada allana el camino para que los investigadores en el campo de la electrocatálisis desarrollen electrocatalizadores mejorados para la conversión sostenida de energía. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo hacer un catalizador de referencia, cómo probar un catalizador de pila de combustible con nuestra técnica RDE de película delgada y qué trampas evitar.

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