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

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.