電気化学的応用のための非貴金属バルク電極の調製のための簡単な方法

この手順の全体的な目標は、水素発生反応のための従来の液滴コーティング調製物に代わる導電性固体触媒に基づく、電極の電気化学試験法におけるシンプルで簡単な調製を実証することです。この方法は、電極材料調製の分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、人工的なナノ構造化を必要とせずに、非常に堅牢で高性能な電極への容易なルートを提供することです。

この手法のアイデアを思いついたのは、従来のドロップコート法で電極を作製していたため、安定性と再現性が向上した二足歩行の合成でした。プロセスパラメータは触媒と電極の性能と安定性に強く影響する可能性があるため、この手法の視覚的なデモンストレーションは非常に重要です。この手順を実演するのは、私たちの研究室の学生であるMathias Smialkowskiです。

この手順を開始するには、鉄、ニッケル、硫黄を乳鉢と乳棒で完全に混合します。混合物を直径10mmのシリカアンプルに移します。次に、アンプルを10時にマイナス2ミリバールに一晩避難させます。

アンプルを密封した後、管状炉に入れます。炉の温度を室温から摂氏700度まで毎分5°Cで上げ、続いて等温ステップを3時間行います。次に、炉の温度を30分以内に摂氏1.100度に上げ、続いて10時間の等温線ステップを行います。

次に、炉のスイッチを切り、サンプルをゆっくりと室温まで冷却します。アンプルを炉から取り出した後、割って固形物を回収します。ペントランダイトバルク材料を粉砕して、微粉末を得ます。

約50ミリグラムの粉末を直径3ミリメートルの圧縮ツールに移し、最大の重量力で材料をプレスします。次に、ディスタンスホルダーを使用してペレットを型から取り出します。これに続いて、テフロンケーシングの空洞内の真鍮ロッドに2液型エポキシド銀接着剤を塗布します。

ペレットをテフロンケースに入れ、ペレットの平らな面が約1mm突き出るようにします。テフロンケーシングの破片をペーパーティッシュで取り除きます。次に、真鍮線とペントランダイトペレットとの電圧計との接触を確認し、適切な導電率を確保します。

2液型接着剤を摂氏60度で硬化させて12時間後、電極を室温まで冷却します。冷却された電極を一連の細かいグレードのサンドペーパーで研磨し、テフロンケーシング内に光沢のある平坦な平面を作ります。次に、脱イオン水で表面を洗浄し、周囲条件下で乾燥させます。

3つの電極すべてをポテンショスタットのワイヤーで接続します。次に、25ミリリットルの電解質を電気化学セルに加え、電極が溶液に完全に浸るように電極を調整します。次に、溶液をアルゴンで30分間パージします。

パージ後、ポテンショスタットと磁気攪拌のスイッチを入れます。最初に電位範囲を0.2ボルトからマイナス0.2ボルト、スキャンレートを毎秒100ミリボルト、サイクル数を20に設定して、サイクリックボルタンメトリー実験を実行します。次に、最後のサイクルが終了するまで待機して、サイクリングプロセスを開始します。

得られた最後の3〜4サイクルが一致すると、電気化学電極の洗浄が完了します。発散した場合は、安定した曲線が得られるまでサイクルを追加します。リニアスイープボルタンメトリー実験を開始する前に、電気化学セットアップの内部抵抗補償値を決定します。

これに続いて、線形スイープボルタンメトリー実験のプログラムを選択し、電位範囲を0.2からマイナス0.6ボルトに設定し、スキャンレートを実験への内部抵抗降下を含めて毎秒5ミリボルトに設定します。次に、実験を開始します。再現性を確保するために、線形スイープ実験を繰り返してください。

次に、まず電位をマイナス6.6ボルトに設定し、実験時間を少なくとも20時間にして、制御電位電気量測定実験を行います。密閉されたセルのヘッドスペースからガスタイトシリンジを使用して、実験の少なくとも4時間ごとに1時間ごとにガスサンプルをレセプタムに同時に収集します。サンプルをJC装置に注入して定量し、装置に記録された検量線を使用して生成された水素の量を決定します。

サイクリックボルタンメトリー実験で0.1ボルトから0ボルトまでの電位範囲を選択し、スキャンレートを毎秒10ミリボルトに設定します。示されているように内部抵抗降下補正を使用し、実験のサイクル数を 5 に設定します。毎秒20、30、40、50、60ミリボルト/秒のスキャンブレードについて、前の手順を繰り返します。

得られた周期ボルタンメトリー曲線から、さらに解釈するために5番目のサイクルを選択します。充電電流密度の差を決定し、これらの値をスキャン編組の関数としてプロットします。ペントランダイト構造を有するペントランダイトの合成は、粉末X線回折装置によって確認された。

モノサルファイト固溶体不純物は、毎分摂氏5度の遅い加熱速度で、より速い加熱で観察されており、これらの不純物は減少または除去することができます。モスバウアー分光法もペントランダイトの構造を確認し、2つの鉄のサイトを明らかにしました。DSCは2つの相転移を明らかにし、望ましくない相が存在しないことを確認しました。

ここには、ペントランダイト研磨された岩石とペレット電極のSEM画像が示されています。EDX分析から、鉄、ニッケル、硫黄の比率は、XRDでの純粋なペントランダイト相の観察と一致しています。ここには、両方の電極の線形掃引ボルタンメグラムが示されています。

剥離された液滴コーティング電極は、改善された電気触媒性能を示さなかった。岩石電極を用いた電気分解の時間によって生成される水素の量は、ペレット電極に匹敵します。スキャンレートの関数としての充電電流密度は、電気化学的表面積と活性サイトの数にわずかな違いを示しており、電極が同様の性能を持っていることが確認されています。

岩石電極のナイキストプロットは、材料の高い固有導電率と一致する低い電荷移動抵抗を明らかにし、ペレット電極は同様の挙動を示します。一度習得すると、この手法は、適切に実行されれば、非常に短い時間枠で複数の材料に利用できます。この手順を試みる際には、関心のある材料が導電性である必要があることを覚えておくことが重要です。

この手順に従うと、電気触媒材料を評価し、結果を適切に比較するための標準プロトコルが得られます。このビデオを見れば、パイオニアを使用せずにバルク触媒から安定した電極を調製する方法と、電気触媒性能に関して電極を適切にテストする方法についてよく理解できるはずです。