Metodi semplici per la preparazione di elettrodi di metallo non nobili per applicazioni elettrocatalitiche

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di dimostrare una preparazione semplice e diretta nel metodo di prova elettrochimica per elettrodi, basato su un catalizzatore conduttivo allo stato solido come alternativa a una preparazione convenzionale di rivestimento a goccia per la reazione di evoluzione dell'idrogeno. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della preparazione dei materiali degli elettrodi. Il vantaggio principale di questa tecnica è che fornisce un percorso semplice verso elettrodi altamente robusti e ad alte prestazioni senza la necessità di alcuna nanostrutturazione artificiale.

Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando abbiamo sintetizzato la bipedalite, migliorando i problemi di stabilità e riproducibilità preparando gli elettrodi utilizzando i metodi convenzionali di rivestimento a goccia. La dimostrazione visiva di questa tecnica è fondamentale in quanto i parametri di processo possono influenzare fortemente le prestazioni e la stabilità del catalizzatore e dell'elettrodo. A dimostrare questa procedura, sarà Mathias Smialkowski, uno studente del nostro laboratorio.

Per iniziare questa procedura, mescolare accuratamente ferro, nichel e zolfo con un mortaio e un pestello. Trasferire il composto in una fiala di silice di 10 millimetri di diametro. Quindi, evacuare la fiala durante la notte a 10 a meno due milli bar.

Dopo aver sigillato la fiala, metterla in un forno tubolare. Aumentare la temperatura del forno da temperatura ambiente a 700 gradi Celsius a cinque gradi Celsius al minuto, seguito da un passaggio isotermico per tre ore. Quindi, aumentare la temperatura del forno a 1.100 gradi Celsius entro 30 minuti, seguito da un passaggio isotermico per 10 ore.

Quindi, raffreddare lentamente il campione a temperatura ambiente, spegnendo il forno. Dopo aver rimosso la fiala dal forno, romperla per raccogliere il prodotto solido. Macinare il materiale sfuso di pentlandite per ottenere una polvere fine.

Trasferire circa 50 milligrammi di polvere in uno strumento di compressione di tre millimetri di diametro e premere il materiale con la massima forza peso. Quindi, rimuovere il pellet dallo stampo, utilizzando un distanziatore. Successivamente, applicare una colla epossidica d'argento bicomponente sull'asta di ottone, nella cavità di un involucro di teflon.

Posizionare il pellet nell'involucro di teflon, in modo che il lato piatto del pellet sporga di circa un millimetro. Rimuovere eventuali detriti dall'involucro in teflon con un fazzoletto di carta. Successivamente, verificare il contatto tra il filo di ottone e il pellet di pentlandite con il voltmetro, per garantire la corretta conduttività.

Dopo 12 ore di indurimento della colla bicomponente a 60 gradi Celsius, raffreddare l'elettrodo a temperatura ambiente. Lucidare l'elettrodo raffreddato con una serie di carta vetrata di qualità fine, per ottenere una superficie piana lucida e a filo all'interno dell'involucro in teflon. Quindi, pulire la superficie con acqua deionizzata e lasciarla asciugare in condizioni ambientali.

Collegare tutti e tre gli elettrodi con i fili di un potenziostato. Successivamente, aggiungere 25 millilitri di elettrolita alla cella elettrochimica e regolare gli elettrodi per assicurarsi che siano completamente immersi nella soluzione. Quindi, spurgare la soluzione con Argon per 30 minuti.

Dopo lo spurgo, accendere il potenziostato e l'agitazione magnetica. Eseguire un esperimento di voltammetria ciclica, impostando prima l'intervallo di potenziale da 0,2 a meno 0,2 volt, la velocità di scansione a 100 millivolt al secondo e il numero di cicli a 20. Quindi, avvia il processo di ciclo, aspettando fino al termine dell'ultimo ciclo.

Se gli ultimi tre o quattro cicli ottenuti coincidono, la pulizia elettrochimica dell'elettrodo è completa. In caso di divergenza, aggiungere più cicli fino ad ottenere curve stabili. Prima di iniziare l'esperimento di voltammetria a scansione lineare, determinare il valore di compensazione della resistenza interna per l'impostazione elettrochimica.

Successivamente, selezionare il programma per gli esperimenti di voltammetria a scansione lineare e impostare l'intervallo di potenziale da 0,2 a meno 0,6 volt e la velocità di scansione a cinque millivolt al secondo, inclusa la caduta di resistenza interna nell'esperimento. Quindi, inizia l'esperimento. Ripetere gli esperimenti di scansione lineare, per garantire la riproducibilità.

Ora, esegui un esperimento di coulometria a potenziale controllato, impostando prima il potenziale a meno 6,6 volt con un tempo di esperimento di almeno 20 ore. Raccogliere contemporaneamente campioni di gas, con la siringa a tenuta di gas dallo spazio di testa della cella sigillata, al recetum per ogni ora per almeno quattro ore dell'esperimento. Iniettare i campioni in uno strumento JC per la quantificazione e determinare la quantità di idrogeno prodotta, utilizzando una curva di calibrazione, registrata sullo strumento.

Selezionare un intervallo di potenziale compreso tra 0,1 e zero volt nell'esperimento di voltammetria ciclica e impostare la velocità di scansione a 10 millivolt al secondo. Utilizzare la correzione interna della caduta di resistenza come dimostrato e impostare il numero di cicli per l'esperimento su cinque. Ripetere i passaggi precedenti, per la scansione di trecce da 20, 30, 40, 50 e 60 millivolt al secondo.

Dalle curve di voltammetria ciclica ottenute, scegliere il quinto ciclo per un'ulteriore interpretazione. Determinare le differenze di densità della corrente di carica e tracciare questi valori in funzione della treccia di scansione. La sintesi della pentlandite, che possiede una struttura pentlandica, è stata confermata dall'XRD in polvere.

impurità della soluzione solida di monosolfito sono state osservate con un riscaldamento più rapido, con una velocità di riscaldamento più lenta di cinque gradi Celsius al minuto, queste impurità possono essere ridotte o eliminate. La spettroscopia di Mossbauer ha anche confermato la struttura della pentlandite e ha rivelato due siti di ferro. La DSC ha rivelato due transizioni di fase, confermando l'assenza di fasi indesiderate.

Qui sono raffigurate immagini SEM di roccia lucidata di pentlandite ed elettrodi a pellet. Dall'analisi EDX, il rapporto tra ferro, nichel e zolfo è coerente con l'osservazione di una fase di pentlandite pura nell'XRD. Qui sono mostrati i voltammegrammi lineari di sweep di entrambi gli elettrodi.

Un elettrodo esfoliato rivestito a goccia, non ha mostrato prestazioni elettrocatalitiche migliorate. La quantità di idrogeno prodotta a seconda del tempo di elettrolisi utilizzando un elettrodo a roccia, è paragonabile a un elettrodo a pellet. La densità della corrente di carica, in funzione della velocità di scansione, mostra differenze marginali nella superficie elettrochimica e nel numero di siti attivi, il che conferma che gli elettrodi hanno prestazioni simili.

Un diagramma di Nyquist di un elettrodo di roccia, rivela una bassa resistenza al trasferimento di carica, che è coerente con l'elevata conduttività intrinseca del materiale, gli elettrodi a pellet mostrano un comportamento simile. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere utilizzata per più materiali in un lasso di tempo molto breve, se eseguita correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che il materiale di interesse deve essere conduttivo.

Seguendo questa procedura, ti fornirà un protocollo standard che ti consente di valutare i materiali elettrocatalitici e confrontare correttamente i tuoi risultati. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione su come preparare elettrodi stabili da catalizzatori sfusi senza l'uso di pionieri e su come testarli correttamente per quanto riguarda le prestazioni elettrocatalitiche.