準備および薄膜回転ディスク電極法を用いた燃料電池触媒のテストに

この手順の全体的な目標は、再現性の良い燃料電池触媒を調製し、試験することです。標準的な触媒の再現性のある薄膜回転ディスク電極測定は、新しい触媒のベンチマークとして役立ちます。燃料電池触媒の薄膜RDE法による試験には経験が必要です。

このチュートリアルは、この方法の一般的な実験的な落とし穴を回避するのに役立ちます。このプロトコルの主な利点は、ベンチマーク触媒の調製が含まれていることです。このプロトコルは、白金の表面積と質量に基づく白金炭素触媒活性を提供します。

テストする前に、触媒の実際のプラチナ含有量を常に確認することを忘れないでください。手順を開始するには、マイクロ波反応容器に、エチレングリコール中の水酸化ナトリウムの0.4モル溶液4ミリリットルと、エチレングリコール中のクロロプラチン酸の40ミリモル溶液4ミリリットルを入れます。容器に攪拌棒を装備します。

マイクロ波反応器で160°Cで3分間加熱し、穏やかに攪拌します。得られたコロイド状白金ナノ粒子懸濁液の7.3ミリリットルを遠心分離管に移します。2ナノメートルのプラチナナノ粒子を30ミリリットルの1モル塩酸で沈殿させます。

混合物を2, 900倍gで5分間遠心分離し、上清を捨てる。塩酸中で遠心分離を繰り返し、上清をさらに2回除去して、ナノ粒子の洗浄を終了します。次に、容器を手動で振とうして、白金ナノ粒子を7ミリリットルのアセトンに再分配します。

超音波処理により、27.5ミリグラムのカーボンブラックを1ミリリットルのアセトンに分散させます。分散液を丸底のフラスコに混ぜ合わせます。ロータリーエバポレーターまたはシュレンクラインを使用して、アセトンを完全に除去します。

得られた白金を炭素触媒粉末に乗せて、摂氏120度で一晩乾燥させます。次に、超音波浴に冷水を入れます。乾燥白金オンカーボン触媒粉末に20ミリリットルの脱イオン水を加え、冷たい超音波浴で混合物を3分間超音波処理します。

4〜7マイクロメートルの細孔を持つ濾紙に粉末を集めます。粉末を200ミリリットルの脱イオン水で洗浄します。次に、粉末を100〜120°Cおよび10キロパスカルの真空オーブンで一晩乾燥させ、50重量パーセントのプラチナオンカーボン触媒粉末を得る。

特性評価を行う前に、炭素触媒粉末上の白金を真空オーブンで摂氏80度、10キロパスカルで一晩乾燥させます。乾燥触媒粉末を、蓋付きのセラミックるつぼで秤量します。蓋付きのるつぼをマッフル炉に入れます。

粉末を900°Cで30分間空気中で加熱し、カーボンサポートを燃焼させます。次に、炉をシャットダウンし、粉末を炉内で一晩室温まで冷まします。次に、粉末に4ミリリットルの王水を加えます。

混合物をホットプレート上で摂氏80度で2時間加熱し、プラチナを消化します。次に、溶液を脱イオン水で10ミリリットルに希釈します。0.75ミリリットルの2モル塩酸と0.25ミリリットルの1モル塩酸で調製した1モル塩化スズ(II)を石英キュベットで混合し、1ミリリットルの王水サンプルを追加します。

溶媒の背景として、1.75ミリリットルの2モル塩酸と0.25ミリリットルの2モル塩化スズと4モル塩酸の混合物を使用します。小さな攪拌棒で混合物をよく攪拌します。700〜350ナノメートルのサンプル混合物のUV可視スペクトルを取得し、バックグラウンド減算を実行します。

サンプル中の白金濃度は、1000 ppm の白金標準溶液を使用した標準添加法により測定します。触媒インクの調製を開始するには、炭素触媒粉末に6.3ミリグラムの50重量%プラチナを6ミリリットルの脱イオン水と混合します。この混合物を2ミリリットルのイソプロピルアルコールと組み合わせます。

1モルの水酸化カリウムを約10マイクロリットル加えて、インクのpHを約10に調整します。インク混合物を冷たい超音波浴で15分間超音波処理します。終了したら、インクのpHを確認してください。

触媒インクをイソプロピルアルコールと脱イオン水の1〜3容量の混合物で50倍に希釈します。必要に応じて酸または塩基を使用して、pHを10に戻します。電気泳動光散乱を用いて触媒インクサンプルのゼータ電位を測定します。

動的光散乱で凝集体のサイズを測定します。次に、5mmのガラス状カーボンディスク電極を0.3μm、05μmのアルミナペーストを順番に鏡面仕上げに研磨します。各研磨ステップの後、脱イオン水で超音波処理することにより電極を洗浄します。

清潔で研磨された電極をアルゴンガスで乾かします。次に、イソプロピルアルコールと脱イオン水の17〜3容量の混合物を含むバブラーにアルゴンガスラインを通します。研磨された電極に5マイクロリットルの触媒インクをピペットで注入し、1平方センチメートルあたり10マイクログラムのプラチナ負荷を達成します。

イソプロピルアルコールと脱イオン水の混合物で加湿したアルゴンガスの流れでインクをゆっくりと乾かします。ガラス状炭素電極上に均質な薄い触媒膜を得ることは非常に重要です。私たちは、皆さんがさまざまな条件や手順を試して、自分に最適なものを見つけるために時間を費やすことをお勧めします。

カーボン触媒膜上の白金が乾いたら、CCDカメラを使用して、フィルムがガラス状炭素電極表面を均一に覆っていることを確認します。電気化学測定のセットアップを開始するには、清潔な3コンパートメントガラスまたはポリテトラフルオロエチレン電気化学セルを組み立てます。触媒被覆ガラス状カーボンディスク電極を電極ローテーターに接続します。

電解質に0.1モルの過塩素酸を電気化学セルで満たします。触媒被覆されたガラス状カーボンディスク電極を電気化学セルの1つのコンパートメントに作用電極として配置します。プラチナメッシュと、Lugginキャピラリーが取り付けられたトラップ水素または飽和カロメル電極を、カウンター電極と参照電極として他の2つのコンパートメントにそれぞれ配置します。

電極をポテンショスタットに接続します。作用電極とLugginキャピラリーの間の電解質溶液中の抵抗を測定します。この抵抗を補償するようにポテンショスタットを構成するには、アナログ正帰還方式を使用します。

可逆的な水素電極電位に対する参照電極電位を較正し、触媒を洗浄した後、アルゴン飽和電解質中のサイクリックボルタモグラムを取得します。その後、電解液を酸素ガスで10分間パージします。ガラス状カーボン電極を1600rpmで回転させます。

05ボルト/秒の可逆水素電極に対して05〜1.10ボルトの電位掃引でサイクリックボルタモグラムを記録します。次に、作用電極を05ボルトに保持します。電解液を一酸化炭素ガスで5分間パージし、続いてアルゴンガスで10分間パージします。

次に、電位を 05 ボルトから 1.10 ボルトに 05 ボルト/秒でスイープします。一酸化炭素ストリッピングボルタモグラムが終了したら、実験用ティッシュの一部を脱イオン水で濡らします。湿った紙にガラス状のカーボン電極を押し付けて、触媒フィルムを転写します。

転写後の触媒膜を撮影します。テストした触媒フィルムを湿った紙に転写すると、測定中にフィルムが無傷のままであったかどうかを簡単に確認できます。炭素触媒粉末上に十分に分散した白金を、安定なコロイド懸濁液から2ナノメートルの白金金属粒子を用いて調製した。

水酸化ナトリウム濃度が低い懸濁液など、安定性の低い懸濁液を使用すると、炭素担体上で有意な白金ナノ粒子凝集が起こりました。加湿アルゴンガスを流して炭素触媒インク上の白金を乾燥させることは、電極上に均一な薄膜を得るために不可欠でした。コーヒーリング効果は、インクが周囲の空気中で乾燥し、触媒が電極の外側に凝集したときに観察されました。

加湿条件を調整することで、薄膜の均一性をさらに調整しました。触媒インクのpHが高いほど、触媒インク溶液の安定性と薄膜の均一性の両方が改善されました。アルゴン飽和過塩素酸中の電極電位を循環させることにより薄膜触媒を洗浄することは、測定中に明確に定義されたピークを得るために重要でした。

酸素飽和過塩素酸中の線形スイープボルタモグラムは、触媒膜の品質に非常に敏感でした。均質なフィルムのLSVは、酸素拡散限界電流密度が1平方センチメートルあたり約6ミリアンペアであり、LSV曲線に鋭いショルダーがあることを示しました。不均質なフィルムは、電流密度が小さく、ショルダーが広いことを示しました。

習得すると、標準的な燃料電池触媒の合成特性評価と電気化学薄膜RDE試験は、適切に実施されれば2日で完了します。濃酸や一酸化炭素を扱う作業は非常に危険であることを忘れないでください。常に白衣、ゴーグル、手袋を着用してください。

一酸化炭素と水素のガスセンサーは、これらの実験を行う間、ラボで常にアクティブにする必要があります。この手順を試行する際は、電気化学測定で信頼性の高い結果を得るためには、清浄度が重要であることを忘れないでください。触媒の調製と電気化学試験は、2つの別々のラボで実施することをお勧めします。

この手順に加えて、分解試験、小角X線散乱、in situX線吸収分光法などの触媒特性評価法を実行して、触媒の機能に関する追加の質問に答えることができます。その開発後、薄膜RDE技術は、電極触媒の分野の研究者が持続的なエネルギー変換のための改良された電極触媒を開発するための道を開きます。このビデオを見れば、ベンチマーク触媒の作り方、薄膜RDE技術による燃料電池触媒の試験方法、回避すべき落とし穴について十分に理解できるはずです。