Preparazione e test di catalizzatori di celle a combustibile che utilizza il metodo di elettrodo disco rotante a Film sottile

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di preparare e testare catalizzatori per celle a combustibile con una buona riproducibilità. Le misure riproducibili dell'elettrodo a disco rotante a film sottile di un catalizzatore standard possono quindi fungere da punto di riferimento per nuovi catalizzatori. Il test del catalizzatore per celle a combustibile con il metodo RDE a film sottile richiede esperienza.

Questo tutorial ti aiuterà a evitare le insidie sperimentali tipiche di questo metodo. Il vantaggio principale di questo protocollo è che include la preparazione di catalizzatori di riferimento. Questo protocollo fornisce attività del catalizzatore platino-carbonio basate sull'area superficiale e sulla massa del platino.

Ricordati di determinare sempre il contenuto effettivo di platino del tuo catalizzatore prima di eseguire il test. Per iniziare la procedura, mettere in un recipiente di reazione a microonde quattro millilitri di una soluzione 0,4 molare di idrossido di sodio in glicole etilenico e quattro millilitri di una soluzione 40 millimolare di acido cloroplatinico in glicole etilenico. Dotare il recipiente di un'ancoretta di combustione.

Scaldare la miscela in un reattore a microonde per tre minuti a 160 gradi Celsius mescolando delicatamente. Trasferire 7,3 millilitri della sospensione di nanoparticelle di platino colloidale risultante in una provetta da centrifuga. Precipitare le nanoparticelle di platino a due nanometri con 30 millilitri di acido cloridrico molare.

Centrifugare la miscela a 2.900 volte g per cinque minuti ed eliminare il surnatante. Ripetere la centrifugazione in acido cloridrico e la rimozione del surnatante altre due volte per terminare il lavaggio delle nanoparticelle. Quindi erogare nuovamente le nanoparticelle di platino in sette millilitri di acetone agitando manualmente il contenitore.

Disperdere 27,5 milligrammi di nerofumo in un millilitro di acetone mediante sonicazione. Unire le dispersioni in un pallone a fondo tondo. Utilizzare un evaporatore rotante o una linea Schlenk per rimuovere completamente l'acetone.

Asciugare il platino risultante sulla polvere del catalizzatore di carbonio a 120 gradi Celsius durante la notte. Quindi, riempire un bagno ad ultrasuoni con acqua fredda. Aggiungere 20 millilitri di acqua deionizzata al platino essiccato sulla polvere del catalizzatore di carbonio e sonicare la miscela nel bagno freddo ad ultrasuoni per tre minuti.

Raccogli la polvere su carta da filtro con pori da quattro a sette micrometri. Lavare la polvere con 200 millilitri di acqua deionizzata. Quindi, asciugare la polvere per una notte in un forno sottovuoto a 100-120 gradi Celsius e 10 kilopascal per ottenere il 50% in peso di platino su polvere di catalizzatore di carbonio.

Prima della caratterizzazione, essiccare il platino su polvere di catalizzatore di carbonio per una notte nel forno sottovuoto a 80 gradi Celsius e 10 kilopascal. Pesare la polvere di catalizzatore secca in un crogiolo di ceramica con coperchio. Mettere il crogiolo coperto in un forno a muffola.

Scaldare la polvere a 900 gradi Celsius per 30 minuti in aria per bruciare il supporto in carbonio. Quindi, spegnere il forno e lasciare raffreddare la polvere a temperatura ambiente nel forno per una notte. Quindi, aggiungi quattro millilitri di acqua regia alla polvere.

Scaldare il composto su una piastra calda a 80 gradi centigradi per due ore per digerire il platino. Quindi, diluire la soluzione a 10 millilitri con acqua deionizzata. Mescolare 0,75 millilitri di acido cloridrico a due molari con 0,25 millilitri di cloruro di stagno(II) molare preparato in acido cloridrico a quattro molari in una cuvetta di quarzo e aggiungere un millilitro del campione di acqua regia.

Utilizzare una miscela di 1,75 millilitri di acido cloridrico a due molari e 0,25 millilitri di cloruro di stagno a due molari in acido cloridrico a quattro molari come sfondo del solvente. Mescola bene il composto con una piccola barra di mescolamento. Acquisire uno spettro UV vis della miscela di campioni da 700 a 350 nanometri ed eseguire la sottrazione di fondo.

Determinare la concentrazione di platino nel campione con il metodo dell'aggiunta standard utilizzando una soluzione standard di platino da 1000 ppm. Per iniziare a preparare l'inchiostro del catalizzatore, mescolare 6,3 milligrammi di platino al 50% in peso sulla polvere del catalizzatore di carbonio con sei millilitri di acqua deionizzata. Combina questa miscela con due millilitri di alcol isopropilico.

Aggiungere circa 10 microlitri di idrossido di potassio molare per regolare il pH dell'inchiostro a circa 10. Sonicare la miscela di inchiostro in un bagno freddo a ultrasuoni per 15 minuti. Al termine, controllare il pH dell'inchiostro.

Diluire l'inchiostro catalizzatore 50 volte con una miscela da uno a tre in volume di alcol isopropilico e acqua deionizzata. Utilizzare acido o base secondo necessità per regolare il pH a 10. Misurare il potenziale zeta del campione di inchiostro del catalizzatore utilizzando la diffusione della luce elettroforetica.

Misurare le dimensioni degli aggregati con la diffusione dinamica della luce. Quindi, lucidare un elettrodo a disco di carbonio vetroso da cinque millimetri con una finitura a specchio con paste di allumina da 0,3 micrometri e 05 micrometri in sequenza. Pulire l'elettrodo mediante sonicazione in acqua deionizzata dopo ogni fase di lucidatura.

Asciugare l'elettrodo pulito e lucidato con gas argon. Quindi, far passare una linea di gas argon attraverso un gorgogliatore contenente una miscela da 17 a tre in volume di alcol isopropilico e acqua deionizzata. Pipettare cinque microlitri di inchiostro del catalizzatore sull'elettrodo lucidato per ottenere un carico di platino di 10 microgrammi di platino per centimetro quadrato.

Asciugare lentamente l'inchiostro con un getto di gas argon umidificato con la miscela di alcol isopropilico e acqua deionizzata. Ottenere un film catalizzatore sottile omogeneo sull'elettrodo di carbonio vetroso è estremamente importante. Incoraggiamo tutti a dedicare un po' di tempo a provare diverse condizioni e procedure per scoprire cosa funziona meglio per te.

Una volta che il platino sulla pellicola del catalizzatore di carbonio è asciutto, utilizzare una telecamera CCD per verificare che la pellicola copra uniformemente la superficie vetrosa dell'elettrodo di carbonio. Per iniziare la configurazione della misurazione elettrochimica, assemblare una cella elettrochimica pulita a tre scomparti in vetro o politetrafluoroetilene. Collegare un elettrodo a disco in carbonio vetroso rivestito di catalizzatore a un rotatore di elettrodi.

Riempire la cella elettrochimica con acido perclorico molare 0,1 molare all'elettrolita. Posizionare l'elettrodo a disco di carbonio vetroso rivestito di catalizzatore in uno scomparto della cella elettrochimica come elettrodo di lavoro. Posizionare una rete di platino e un elettrodo di calomelano intrappolato a idrogeno o saturo dotato di un capillare Luggin negli altri due scomparti rispettivamente come elettrodo di conteggio e di riferimento.

Collegare gli elettrodi a un potenziostato. Misurare la resistenza nella soluzione elettrolitica tra l'elettrodo di lavoro e il capillare di Luggin. Configurare il potenziostato per compensare questa resistenza utilizzando lo schema analogico di retroazione positiva.

Dopo aver calibrato il potenziale dell'elettrodo di riferimento rispetto al potenziale reversibile dell'elettrodo di idrogeno e aver pulito il catalizzatore, acquisire un voltammogramma ciclico in elettrolita saturo di argon. Quindi, spurgare l'elettrolita con ossigeno gassoso per 10 minuti. Iniziare a ruotare l'elettrodo di carbonio vetroso a 1600 giri/min.

Registrare un voltammogramma ciclico con lo sweep di potenziale compreso tra 05 e 1,10 volt rispetto all'elettrodo di idrogeno reversibile a 05 volt al secondo. Quindi, tenere l'elettrodo di lavoro a 05 volt. Spurgare l'elettrolita con monossido di carbonio per cinque minuti seguito da argon per 10 minuti.

Quindi, spazzare il potenziale da 05 volt a 1,10 volt a 05 volt al secondo. Al termine del voltammogramma di stripping con monossido di carbonio, bagnare un pezzo di tessuto di laboratorio con acqua deionizzata. Premere l'elettrodo di carbonio vetroso sulla carta bagnata per trasferire il film del catalizzatore.

Fotografare la pellicola del catalizzatore dopo il trasferimento. Trasferire la pellicola del catalizzatore testata sulla carta bagnata è un modo semplice per vedere se la pellicola è rimasta intatta durante la misurazione. La polvere di platino ben dispersa su catalizzatore di carbonio è stata preparata utilizzando particelle metalliche di platino a due nanometri da una sospensione colloidale stabile.

Quando sono state utilizzate sospensioni meno stabili, come quelle con una concentrazione di idrossido di sodio inferiore, si è verificata una significativa agglomerazione di nanoparticelle di platino sul supporto di carbonio. L'essiccazione del platino su inchiostro catalizzatore al carbonio con un flusso di gas argon umidificato era essenziale per ottenere un film sottile omogeneo sull'elettrodo. L'effetto dell'anello di caffè è stato osservato quando l'inchiostro si è asciugato all'aria ambiente, con il catalizzatore che si è agglomerato attorno all'esterno dell'elettrodo.

L'uniformità del film sottile è stata ulteriormente regolata regolando le condizioni di umidificazione. Un pH dell'inchiostro catalizzatore più elevato ha migliorato sia la stabilità della soluzione di inchiostro catalizzatore che l'uniformità del film sottile. La pulizia del catalizzatore a film sottile mediante il ciclo del potenziale dell'elettrodo in acido perclorico saturo di argon è stata importante per ottenere picchi ben definiti durante le misurazioni.

Il voltammogramma a scansione lineare in acido perclorico saturo di ossigeno era altamente sensibile alla qualità del film del catalizzatore. L'LSV di un film omogeneo ha mostrato una densità di corrente limitata alla diffusione dell'ossigeno di circa 6 milliampere per centimetro quadrato, con una spalla affilata nella curva LSV. Un film non omogeneo mostrava una densità di corrente più piccola e una spalla più larga.

Una volta padroneggiata, la caratterizzazione della sintesi e il test RDE elettrochimico a film sottile di un catalizzatore standard per celle a combustibile possono essere eseguiti in due giorni se eseguiti correttamente. Non dimenticare che lavorare con acido concentrato e monossido di carbonio può essere estremamente pericoloso. Indossare sempre camice da laboratorio, occhiali e guanti.

sensori di gas per il monossido di carbonio e l'idrogeno devono essere sempre attivi nel laboratorio durante l'esecuzione di questi esperimenti. Durante il tentativo di questa procedura, ricorda, la pulizia è fondamentale per ottenere risultati affidabili nelle misure elettrochimiche. Si consiglia di preparare il catalizzatore ed eseguire i test elettrochimici in due laboratori separati.

Oltre a questa procedura, è possibile eseguire metodi di caratterizzazione dei catalizzatori come i test di degradazione, la diffusione di raggi X a piccolo angolo o la spettroscopia di assorbimento dei raggi X in situ per rispondere a ulteriori domande sulla funzionalità del catalizzatore. Dopo il suo sviluppo, la tecnica RDE a film sottile apre la strada ai ricercatori nel campo dell'elettrocatalisi per sviluppare elettrocatalizzatori migliorati per una conversione di energia sostenuta. Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come realizzare un catalizzatore di riferimento, come testare un catalizzatore per celle a combustibile con la nostra tecnica RDE a film sottile e quali insidie evitare.