Sur la préparation et l’essai de catalyseurs de pile à combustible utilisant la méthode minces rotation disque électrode

L’objectif global de cette procédure est de préparer et de tester des catalyseurs de pile à combustible avec une bonne reproductibilité. Les mesures reproductibles d’électrodes à disque rotatif à couche mince d’un catalyseur standard peuvent ensuite servir de référence pour de nouveaux catalyseurs. L’essai d’un catalyseur de pile à combustible avec la méthode RDE à couche mince nécessite de l’expérience.

Ce tutoriel vous aidera à éviter les pièges expérimentaux typiques de cette méthode. Le principal avantage de ce protocole est qu’il inclut la préparation de catalyseurs de référence. Ce protocole fournit des activités de catalyseur de carbone de platine basées sur la surface et la masse du platine.

N’oubliez pas de toujours déterminer votre teneur réelle en platine de votre catalyseur avant de le tester. Pour commencer la procédure, placez dans un récipient de réaction à micro-ondes quatre millilitres d’une solution de 0,4 molaire d’hydroxyde de sodium dans de l’éthylène glycol et quatre millilitres d’une solution de 40 millimolaires d’acide chloroplatinique dans de l’éthylène glycol. Équipez le récipient d’un agitateur.

Chauffez le mélange dans un réacteur à micro-ondes pendant trois minutes à 160 degrés Celsius tout en remuant doucement. Transférez 7,3 millilitres de la suspension de nanoparticules de platine colloïdale résultante dans un tube à centrifuger. Précipitez les deux nanoparticules de platine nanométriques avec 30 millilitres d’acide chlorhydrique molaire.

Centrifuger le mélange à 2 900 fois g pendant cinq minutes et jeter le surnageant. Répétez la centrifugation dans l’acide chlorhydrique et l’élimination du surnageant deux fois de plus pour terminer le lavage des nanoparticules. Ensuite, déboursez les nanoparticules de platine dans sept millilitres d’acétone en secouant manuellement le récipient.

Dispersez 27,5 milligrammes de noir de carbone dans un millilitre d’acétone par sonication. Mélanger les dispersions dans une fiole à fond rond. Utilisez un évaporateur rotatif ou une ligne Schlenk pour éliminer complètement l’acétone.

Séchez la poudre de catalyseur platine sur carbone résultante à 120 degrés Celsius pendant la nuit. Ensuite, remplissez un bain à ultrasons d’eau froide. Ajoutez 20 millilitres d’eau déminéralisée à la poudre de catalyseur de platine sur carbone séchée, et sonicez le mélange dans le bain à ultrasons froid pendant trois minutes.

Récupérez la poudre sur du papier filtre avec des pores de quatre à sept micromètres. Lavez la poudre avec 200 millilitres d’eau déminéralisée. Ensuite, séchez la poudre pendant la nuit dans un four sous vide à 100 à 120 degrés Celsius et 10 kilopascals pour obtenir les 50 % en poids de platine sur la poudre de catalyseur de carbone.

Avant la caractérisation, faites sécher la poudre de catalyseur platine sur carbone pendant la nuit dans le four à vide à 80 degrés Celsius et 10 kilopascals. Pesez la poudre de catalyseur sèche dans un creuset en céramique avec un couvercle. Placez le creuset couvert dans un four à moufle.

Chauffez la poudre à 900 degrés Celsius pendant 30 minutes à l’air pour brûler le support de carbone. Ensuite, éteignez le four et laissez la poudre refroidir à température ambiante dans le four pendant la nuit. Ensuite, ajoutez quatre millilitres d’aqua régale à la poudre.

Faites chauffer le mélange sur une plaque chauffante à 80 degrés Celsius pendant deux heures pour digérer le platine. Ensuite, diluez la solution à 10 millilitres avec de l’eau déminéralisée. Mélangez 0,75 millilitre d’acide chlorhydrique à deux molaires avec 0,25 millilitre de chlorure d’étain(II) molaire préparé dans de l’acide chlorhydrique à quatre molaires dans une cuvette en quartz, et ajoutez un millilitre d’échantillon d’eau régale.

Utilisez un mélange de 1,75 millilitre d’acide chlorhydrique à deux molaires et de 0,25 millilitre de chlorure d’étain à deux molaires dans de l’acide chlorhydrique à quatre molaires comme fond de solvant. Remuez bien le mélange avec un petit bâton. Acquérez un spectre UV-vis du mélange d’échantillons de 700 à 350 nanomètres et effectuez une soustraction de fond.

Déterminer la concentration de platine dans l’échantillon par la méthode d’addition d’étalon à l’aide d’une solution étalon de platine de 1000 ppm. Pour commencer à préparer l’encre du catalyseur, mélangez 6,3 milligrammes de platine à 50 % en poids sur de la poudre de catalyseur au carbone avec six millilitres d’eau déminéralisée. Combinez ce mélange avec deux millilitres d’alcool isopropylique.

Ajoutez environ 10 microlitres d’hydroxyde de potassium molaire pour ajuster le pH de l’encre à environ 10. Sonicez le mélange d’encre dans un bain à ultrasons froid pendant 15 minutes. Vérifiez le pH de l’encre lorsque vous avez terminé.

Diluez l’encre du catalyseur 50 fois avec un à trois fois par volume d’alcool isopropylique et d’eau désionisée. Utilisez de l’acide ou de la base au besoin pour ramener le pH à 10. Mesurez le potentiel zêta de l’échantillon d’encre catalytique à l’aide de la diffusion électrophorétique de la lumière.

Mesurez la taille des agrégats avec une diffusion dynamique de la lumière. Ensuite, polissez une électrode à disque de carbone vitreux de cinq millimètres jusqu’à obtenir une finition miroir avec des pâtes d’alumine de 0,3 micromètre et 05 micromètres en séquence. Nettoyez l’électrode par sonication dans de l’eau déminéralisée après chaque étape de polissage.

Séchez l’électrode propre et polie avec du gaz argon. Ensuite, faites passer une conduite de gaz argon dans un barboteur contenant un mélange de 17 à trois en volume d’alcool isopropylique et d’eau déminéralisée. Pipetez cinq microlitres d’encre catalytique sur l’électrode polie pour obtenir une charge de platine de 10 microgrammes de platine par centimètre carré.

Séchez lentement l’encre avec un jet de gaz argon humidifié avec le mélange d’alcool isopropylique et d’eau déminéralisée. Il est extrêmement important d’obtenir un film catalytique mince homogène sur l’électrode de carbone vitreuse. Nous encourageons tout le monde à passer du temps à essayer différentes conditions et procédures pour découvrir ce qui fonctionne le mieux pour vous.

Une fois que le platine sur le film du catalyseur en carbone est sec, utilisez une caméra CCD pour vérifier que le film recouvre uniformément la surface vitreuse de l’électrode de carbone. Pour commencer la mise en place de la mesure électrochimique, assemblez une pile électrochimique propre en verre ou en polytétrafluoroéthylène à trois compartiments. Connectez une électrode à disque de carbone vitreux revêtue d’un catalyseur à un rotateur d’électrode.

Remplissez la cellule électrochimique avec de l’acide perchlorique 0,1 molaire au niveau de l’électrolyte. Placez l’électrode à disque de carbone vitreux revêtue d’un catalyseur dans un compartiment de la cellule électrochimique en tant qu’électrode de travail. Placez un maillage de platine et une électrode d’hydrogène ou de calomel saturé piégée équipée d’un capillaire de Luggin dans les deux autres compartiments comme électrodes de compteur et de référence, respectivement.

Connectez les électrodes à un potentiostat. Mesurez la résistance dans la solution électrolytique entre l’électrode de travail et le capillaire de Luggin. Configurez le potentiostat pour compenser cette résistance en utilisant le schéma de rétroaction positive analogique.

Après avoir calibré le potentiel de l’électrode de référence par rapport au potentiel d’électrode d’hydrogène réversible et nettoyé le catalyseur, acquérir une voltammographie cyclique dans un électrolyte saturé en argon. Ensuite, purgez l’électrolyte avec de l’oxygène gazeux pendant 10 minutes. Commencez à faire tourner l’électrode de carbone vitreuse à 1600 tr/min.

Enregistrez une voltammographie cyclique avec un balayage potentiel compris entre 05 et 1,10 volts par rapport à une électrode d’hydrogène réversible à 05 volts par seconde. Ensuite, tenez l’électrode de travail à 05 volts. Purgez l’électrolyte avec du monoxyde de carbone pendant cinq minutes, puis de l’argon pendant 10 minutes.

Ensuite, balayez le potentiel de 05 volts à 1,10 volts à 05 volts par seconde. Une fois la voltammographie de décapage au monoxyde de carbone terminée, mouillez un morceau de tissu de laboratoire avec de l’eau désionisée. Appuyez sur l’électrode de carbone vitreuse sur le papier humide pour transférer le film catalytique.

Photographiez le film catalyseur après le transfert. Le transfert du film catalytique testé sur le papier humide est un moyen facile de voir si le film est resté intact pendant la mesure. Du platine bien dispersé sur de la poudre de catalyseur en carbone a été préparé à l’aide de deux particules métalliques de platine nanométriques à partir d’une suspension colloïdale stable.

Lorsque des suspensions moins stables ont été utilisées, telles que celles ayant une concentration plus faible en hydroxyde de sodium, une agglomération significative de nanoparticules de platine s’est produite sur le support carboné. Le séchage du platine sur de l’encre catalytique au carbone avec un flux de gaz argon humidifié était essentiel pour obtenir un film mince homogène sur l’électrode. L’effet d’anneau de café a été observé lorsque l’encre a séché à l’air ambiant, le catalyseur s’agglomérant autour de l’extérieur de l’électrode.

L’uniformité de la couche mince a été encore ajustée en ajustant les conditions d’humidification. Un pH d’encre catalytique plus élevé a amélioré à la fois la stabilité de la solution d’encre catalytique et l’uniformité du film mince. Le nettoyage du catalyseur à couche mince en cyclant le potentiel de l’électrode dans l’acide perchlorique saturé d’argon était important pour obtenir des pics bien définis pendant les mesures.

La voltammographie linéaire dans l’acide perchlorique saturé en oxygène était très sensible à la qualité du film catalytique. Le LSV d’un film homogène a montré une densité de courant limitée à la diffusion d’oxygène d’environ 6 milliampères par centimètre carré, avec un épaulement prononcé dans la courbe du LSV. Un film non homogène présentait une densité de courant plus faible et un épaulement plus large.

Une fois maîtrisés, la caractérisation de synthèse et les tests RDE électrochimiques en couche mince d’un catalyseur de pile à combustible standard peuvent être effectués en deux jours s’ils sont effectués correctement. N’oubliez pas que travailler avec de l’acide concentré et du monoxyde de carbone peut être extrêmement dangereux. Portez toujours une blouse de laboratoire, des lunettes de protection et des gants.

Les capteurs de gaz pour le monoxyde de carbone et l’hydrogène doivent toujours être actifs dans votre laboratoire pendant la réalisation de ces expériences. Lorsque vous tentez cette procédure, n’oubliez pas que la propreté est cruciale pour obtenir des résultats fiables dans les mesures électrochimiques. Nous recommandons de préparer le catalyseur et d’effectuer les tests électrochimiques dans deux laboratoires distincts.

En plus de cette procédure, des méthodes de caractérisation des catalyseurs telles que les tests de dégradation, la diffusion des rayons X aux petits angles ou la spectroscopie d’absorption des rayons X in situ peuvent être effectuées pour répondre à des questions supplémentaires sur la fonctionnalité de votre catalyseur. Après son développement, la technique RDE à couche mince ouvre la voie aux chercheurs dans le domaine de l’électrocatalyse pour développer des électrocatalyseurs améliorés pour une conversion d’énergie soutenue. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication d’un catalyseur de référence, de la façon de tester un catalyseur de pile à combustible avec notre technique RDE à couche mince et des pièges à éviter.