Méthodes simples pour la préparation d'électrodes en masse de métaux non nobles pour applications électrocatalytiques

L’objectif général de cette procédure est de démontrer une préparation simple et directe dans la méthode d’essai électrochimique pour les électrodes, basée sur un catalyseur conducteur à l’état solide comme alternative à une préparation conventionnelle de revêtement pour la réaction d’évolution de l’hydrogène. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de la préparation des matériaux d’électrodes. Le principal avantage de cette technique est qu’elle permet d’obtenir facilement des électrodes très robustes et performantes sans avoir besoin d’une nanostructuration artificielle.

Nous avons d’abord eu l’idée de cette méthode lorsque nous avons synthétisé la bipédie, amélioré les problèmes de stabilité et de reproductibilité en préparant des électrodes à l’aide de méthodes conventionnelles de revêtement de goutte. La démonstration visuelle de cette technique est essentielle car les paramètres du processus peuvent fortement influencer les performances et la stabilité du catalyseur et de l’électrode. Mathias Smialkowski, un étudiant de notre laboratoire, fera la démonstration de cette procédure.

Pour commencer cette procédure, mélangez soigneusement le fer, le nickel et le soufre avec un mortier et un pilon. Transférez le mélange dans une ampoule de silice de 10 millimètres de diamètre. Ensuite, évacuez l’ampoule pendant la nuit à 10 à moins deux milli bar.

Après avoir scellé l’ampoule, placez-la dans un four tubulaire. Augmentez la température du four de la température ambiante à 700 degrés Celsius à cinq degrés Celsius par minute, suivie d’une étape isotherme pendant trois heures. Ensuite, augmentez la température du four à 1 100 degrés Celsius en 30 minutes, suivie d’une étape isotherme pendant 10 heures.

Ensuite, refroidissez lentement l’échantillon à température ambiante, en éteignant le four. Après avoir retiré l’ampoule du four, cassez celle-ci pour recueillir le produit solide. Broyez le matériau en vrac de pentlandite pour obtenir une poudre fine.

Transférez environ 50 milligrammes de poudre dans un outil de compression de trois millimètres de diamètre et appuyez sur le matériau avec la force de poids maximale. Ensuite, retirez le granulé du moule, à l’aide d’un support de distance. Ensuite, appliquez une colle époxyde d’argent à deux composants sur la tige de laiton, dans la cavité d’un boîtier en téflon.

Placez le granulé dans le boîtier en téflon, de sorte que le côté plat du granulé dépasse d’environ un millimètre. Enlevez tous les débris sur le boîtier en téflon avec un mouchoir en papier. Ensuite, vérifiez le contact entre le fil de laiton et la pastille de pentlandite avec le voltmètre, pour assurer une bonne conductivité.

Après 12 heures de durcissement de la colle à deux composants à 60 degrés Celsius, refroidissez l’électrode à température ambiante. Polissez l’électrode refroidie avec une série de papier de verre de qualité fine, pour obtenir une surface plane brillante et affleurante à l’intérieur du boîtier en téflon. Ensuite, nettoyez la surface avec de l’eau déminéralisée et laissez-la sécher dans des conditions ambiantes.

Connectez les trois électrodes avec les fils d’un potentiostat. Ensuite, ajoutez 25 millilitres d’électrolyte à la cellule électrochimique et ajustez les électrodes pour vous assurer qu’elles sont complètement immergées dans la solution. Ensuite, purgez la solution avec de l’argon pendant 30 minutes.

Après la purge, allumez le potentiostat et l’agitation magnétique. Effectuez une expérience de voltampérométrie cyclique, en réglant d’abord la plage de potentiel de 0,2 à moins 0,2 volts, la vitesse de balayage à 100 millivolts par seconde et le nombre de cycles à 20. Ensuite, démarrez le processus de cyclage en attendant la fin du dernier cycle.

Si les trois à quatre derniers cycles obtenus coïncident, le nettoyage électrochimique des électrodes est terminé. En cas de divergence, ajoutez d’autres cycles jusqu’à l’obtention de courbes stables. Avant de commencer l’expérience de voltampérométrie à balayage linéaire, déterminez la valeur de compensation de la résistance interne pour l’installation électrochimique.

Ensuite, sélectionnez le programme pour les expériences de voltampérométrie à balayage linéaire et réglez la plage de potentiel de 0,2 à moins 0,6 volts, et la vitesse de balayage à cinq millivolts par seconde, y compris la chute de résistance interne dans l’expérience. Ensuite, lancez l’expérience. Répétez les expériences de balayage linéaire pour assurer la reproductibilité.

Maintenant, effectuez une expérience de coulométrie à potentiel contrôlé, en réglant d’abord le potentiel à moins 6,6 volts avec une durée d’expérience d’au moins 20 heures. Prélever simultanément des échantillons de gaz, avec la seringue étanche au gaz à partir de l’espace de tête de la cellule scellée, jusqu’au réceptum toutes les heures pendant au moins quatre heures de l’expérience. Injectez les échantillons dans un instrument JC pour quantification et déterminez la quantité d’hydrogène produite, à l’aide d’une courbe d’étalonnage, enregistrée sur l’instrument.

Sélectionnez une plage de potentiel comprise entre 0,1 et zéro volt dans l’expérience de voltampérométrie cyclique et réglez la fréquence de balayage sur 10 millivolts par seconde. Utilisez la correction de chute de résistance interne comme illustré et réglez le nombre de cycles de l’expérience sur cinq. Répétez les étapes précédentes, pour des tresses de balayage de 20, 30, 40, 50 et 60 millivolts par seconde.

À partir des courbes de voltampérométrie cyclique obtenues, choisissez le cinquième cycle pour une interprétation plus approfondie. Déterminez les différences de densité de courant de charge et tracez ces valeurs en fonction de la tresse de balayage. La synthèse de pentlandite possédant une structure de pentlandite, a été confirmée par XRD en poudre.

Des impuretés en solution solide de monosulfite ont été observées avec un chauffage plus rapide, avec un taux de chauffage plus lent de cinq degrés Celsius par minute, ces impuretés peuvent être réduites ou éliminées. La spectroscopie de Mossbauer a également confirmé la structure de la pentlandite et a révélé deux sites de fer. La DSC a révélé deux transitions de phase, confirmant l’absence de phases indésirables.

Des images MEB de roche polie en pentlandite et d’électrodes à granulés sont représentées ici. D’après l’analyse EDX, le rapport entre le fer, le nickel et le soufre est cohérent avec l’observation d’une phase de pentlandite pure dans la DRX. Les voltammégrammes de balayage linéaire des deux électrodes sont illustrés ici.

Une électrode exfoliée enrobée de goutte n’a pas montré d’amélioration des performances électrocatalytiques. La quantité d’hydrogène produite en fonction du temps d’électrolyse à l’aide d’une électrode de roche, est comparable à celle d’une électrode à granulés. La densité du courant de charge en fonction de la vitesse de balayage montre des différences marginales dans la surface électrochimique et le nombre de sites actifs, ce qui confirme que les électrodes ont des performances similaires.

Un tracé de Nyquist d’une électrode de roche révèle une faible résistance au transfert de charge, ce qui est cohérent avec la conductivité intrinsèque élevée du matériau, les électrodes à granulés présentent un comportement similaire. Une fois maîtrisée, cette technique peut être utilisée pour plusieurs matériaux dans un laps de temps très court, si elle est exécutée correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler que le matériel d’intérêt doit être conducteur.

En suivant cette procédure, vous obtiendrez un protocole standard qui vous permettra d’évaluer les matériaux électrocatalytiques et de comparer correctement vos résultats. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de préparer des électrodes stables à partir de catalyseurs en vrac sans utiliser de pionniers et comment les tester correctement en ce qui concerne les performances électrocatalytiques.