3.14: 전위요스타트/갈바노스타트를 사용하여 지원되는 촉매의 전기화학적 측정

1. 촉매 잉크 및 작업 전극 준비

안전 예방 조치: 카본 블랙에 지원되는 금속은 흡입 위험이 있기 때문에 서스펜션 형태로 될 때까지 연기 후드 또는 밸런스 인클로저에서 처리해야합니다.

1. 밀폐된 균형을 사용하여 5-10 mg의 금속/카본 블랙 촉매를 계량하고 캡이 있는 유리 바이알에 추가합니다.
2. 마이크로피펫을 사용하여, 최종 농도가 mL 당 7.5 mg의 촉매가 될 정도로 물로 촉매를 희석시다.
3. 초음파 처리 하는 동안, 100 μL 의 Nafion 117 물 mL 당 용액 은 현탁액에 추가됩니다.
4. 잉크는 탄소 검정지지체와 결합제의 균일한 분산 및 완전한 혼합을 보장하기 위해 최소 10분 동안 초음파 처리되어야 합니다.
5. 잉크가 초음파 처리되는 동안, 3mm 유리 탄소 디스크 전극은 0.05 μm 알루미나 용액으로 덮인 부드러운 알루미나 패드의 소용돌이 원형 모션으로 문지르면 세척하고 연마해야 합니다. 그런 다음 알루미나를 제거하기 위해 물로 풍성하게 헹구어야합니다.
6. 다음으로, 7 μL의 잉크는 세련되고 수직 지향적인 3mm 유리 카본 디스크 전극에 떨어지립니다. 촉매가 공기에 민감한 경우 촉매가 공기 안정또는 약한 진공 하에서 증발하는 경우 작동 전극은 80°C에서 1h로 건조됩니다.

2. 전기 화학 세포 준비

안전 예방 조치: 장갑, 실험실 코트 및 안전 안경은 항상 착용해야하지만 황산 용액을 작업하는 데 특히 중요합니다. 용액 방울이 손목에 흘러 들어오면 15 분 동안 비누와 물로 씻어야합니다. 주요 유출의 경우, 오염된 의류의 제거및 안구세척제 나 샤워를 15분 동안 사용한 다음 의학적 상담을 받아야 합니다. 전기 리드는 전기 화학 전지에 한 번 닿지 않아야합니다.

1. 유리 셀은 0.5 M H₂SO_4의 10mL로 채워지고 초고순도 질소 스트림으로 적어도 30 분 동안 탈유됩니다.
2. 전기 화학 세포의 테프론 캡에는 작동 전극, 카운터 전극 및 기준 전극을 위한 3개의 포트가 있습니다.
3. Ag/AgCl 기준 전극은 1M KCl 용액에서 제거되고 DI 물로 완전히 헹구고 셀에 배치됩니다.
4. 플래티넘 와이어 카운터 전극은 DI 물로 철저히 헹구고 셀에 배치됩니다.
5. 건조 된 작업 전극은 DI 물로 헹구고 셀에 배치됩니다.
6. 전위요타가 켜져 있습니다.
7. 백색 전극 납은 먼저 연결되고 기준 전극에 연결됩니다.
8. 그런 다음 적색 전극 납이 Pt 와이어 카운터 전극에 연결됩니다.
9. 녹색 전극 납은 금속 / 탄소 검은 색 작업 전극에 연결됩니다.
10. 작은 N₂ 퍼지 스트림은 전해질에 지속적으로 버블링됩니다.
11. 리드가 닿지 않고 0.5 M H₂SO₄ 전해질 이외의 3 전극 사이에 직접 전기 접촉이 없는지 확인합니다.

3. 전기 화학 분석

1. potentiostat를 켠 후 CV를 사용하여 50 mV /s에서 0에서 0.4 V 대 RHE 사이의 최소 20 개의 컨디셔닝 사이클을 수행하십시오. 이는 이력서를 기술로 선택하고 스캔 속도뿐만 아니라 상한 및 하부 잠재적 한계를 입력하여 수행됩니다.
2. 그런 다음 선형 스윕 Voltammetry(LSV)는 LSV를 기술로 선택하고 시작 잠재력, 최종 잠재력 및 스캔 속도를 지정하여 수행할 수 있습니다. LSV의 스캔 속도는 일반적으로 CV보다 훨씬 적기 때문에 정전 용량 전류가 faradaic 표면 반응에서 발생하는 전류보다 훨씬 낮게됩니다.
3. 크로노암페로메트리(CA)는 CA 또는 "Amperometric i-t 곡선"을 기술로 선택하고 고정 된 전위뿐만 아니라 계측기가 이 고정 된 전극을 보유해야하는 시간을 지정하여 수행됩니다.
4. 크로노포티오메트리(CP)는 CP를 기술로 선택하여 수행됩니다. CP는 특정 시간 동안 하나의 전류를 지정한 다음 지정된 시간 동안 새 전류를 지정하는 일련의 현재 단계에서 수행할 수 있습니다. 이러한 적용 된 전류는 동일한 CP 측정 내에서 무음 및 음극 전류모두에 걸쳐 있을 수 있습니다.
5. 전기 화학 분석이 완료되면 전위요타기를 끕니다.
6. 전극 리드를 분리하고 부식을 방지하기 위해 액체에서 멀리 건조한 장소에 보관하십시오.
7. 기준 전극을 제거하고 풍부한 양의 DI 물로 헹구는 것입니다. 그런 다음 기준 전극을 1M KCl 스토리지 솔루션으로 직접 반환합니다. 이 전극의 끝은 건조해서는 안됩니다.
8. Pt 와이어 카운터 전극을 제거하고 DI 물로 완전히 헹구십시오.
9. 작동 전극을 제거하고 DI 물로 철저히 헹구고 아세톤으로 김스 와이프를 사용하여 작동 전극 표면에서 말린 촉매 잉크를 쉽게 제거하십시오. 사용 후 즉시 전극을 연마하는 것이 좋습니다.
10. N₂ 제거를 끕니다.
11. 사용된 전해질을 산성 폐기물 용기에 비웁습니다. 유리 셀과 테플론 캡을 풍부한 양의 DI 물로 헹구습니다.

potentiostat-galvanostat는 전기화학적 특성화에서 가장 일반적으로 사용되는 기기이며 화학 반응에 대한 전기적 변화의 영향을 이해하는 데 사용됩니다.

potentiostat-galvanostat는 전기 화학 시스템에 사용되는 기기입니다. 전위차 모드에서 적용된 전위에서 전류를 측정하거나 갈바노스타트 모드에서 그 반대로 전류를 측정합니다. 단순화를 위해 이 기기는 일반적으로 전위차 조절기라고 합니다.

산화 환원 또는 산화 환원 반응은 전극 표면에서 발생하며 전자의 전달을 포함합니다. 특히, 화학 종에서 전자의 손실은 산화의 경우, 또는 환원의 경우 전자의 이득입니다. 이 산화 환원 이벤트는 전압이라고도 하는 적용된 전위 E에 의해 유도될 수 있습니다.

이 동영상은 전위차(potentiostat)를 사용한 전기화학 테스트의 설정 및 성능을 보여줍니다.

대부분의 경우, 산화 환원 이벤트는 3전극 셀을 통해 전위차에 결합됩니다. 3전극 셀은 작동 전극, 카운터 또는 보조 전극 및 기준 전극으로 구성됩니다. 작동 전극은 관심 반응이 발생하는 곳이고 상대 전극은 전기 회로를 완성하는 데 사용됩니다.

인가된 전위는 알려진 안정적인 전극 전위를 가진 산화 환원 시스템을 포함하는 기준 전극에 대해 측정되며, E. 일반적인 기준 전극은 포화 칼로멜 전극과 가역성 수소 전극이며, 이는 교정 목적으로 사용됩니다. Ag/AgCl 전극은 일반적으로 전기화학 테스트에 사용되며 다공성 프릿을 통해 전해질 용액과 인터페이스됩니다.

전기화학 전지는 산성, 알칼리성 또는 염성 용액과 같은 높은 이온 강도의 전해질 용액으로 채워져 있습니다. 전해질 용액은 전극에서 전하가 축적되는 것을 방지합니다.

전기 화학 실험에서 전위차, 전류, 시간 및 전하는 모두 전위차 조절기에 의해 조작되거나 측정 될 수 있습니다. 작동 전극이 음극으로 작용할 때 전자는 상대 전극에서 작동 전극으로 흐릅니다. 양전하를 띤 이온 또는 양이온은 음극으로 흐릅니다. 그 반대는 작동 전극이 양극으로 작용할 때 사실입니다. 음전하를 띤 이온 또는 음이온은 양극으로 흐릅니다.

조작 및 측정된 매개변수를 선택함으로써 다양한 측정 기술이 가능합니다. 크로노암페어 측정법(Chronoamperometry)은 작동 전극에 전위 단계를 적용하고 그에 따른 전류 변화를 시간 함수로 측정하는 기술입니다. 전위 단계가 작동 전극에서 전기화학 반응을 일으킬 만큼 충분히 크면 전류가 변합니다. 이 기법은 반응 역학에서 확산 계수 측정과 같은 많은 응용 분야에 사용할 수 있습니다.

유사하게, 크로노포텐쇼미터는 일정하거나 다양한 전류가 적용되고 전위는 시간의 함수로 측정되는 기술입니다. 인가된 전류는 전기 활성 종이 특정 속도로 산화되거나 환원되도록 합니다. 이 기법은 반응 진행 측정과 같은 다양한 Application에 사용됩니다.

전압주사법(Voltammetry)은 적용된 전위 스윕과 관련하여 양극 및 음극 전류를 측정합니다. 이 측정은 일정한 비율로 전위가 증가하거나 감소하는 동안 화학 종에서 전자의 추가 또는 제거를 검사합니다. 순환 전압주사법(CV)은 이 컬렉션의 다른 비디오에서 별도로 자세히 다룹니다.

이제 전압주사법의 기초를 다루었으므로 3전극 셀과 표면 결합 촉매가 있는 작동 전극의 준비가 실험실에서 시연될 것입니다. 이 시연에서는 나피온 결합제를 사용하여 카본 블랙 지지체의 백금 나노 입자로 구성된 촉매 잉크를 준비하고 측정합니다. 이 시스템은 현재 연료 전지 및 배터리 연구를 대표합니다.

먼저 흄 후드에 7.5mg의 금속/카본 블랙 촉매의 무게를 측정하고 유리 바이알에 추가합니다. 촉매를 물 1mL로 희석하고 100 ? L?의 Nafion 117, 그런 다음 바이알의 뚜껑을 닫습니다.

혼합물을 얼음 위에서 최소 10분 동안 초음파 처리하여 균일한 분산과 카본 블랙 지지체와 Nafion의 완전한 혼합을 보장합니다. 잉크가 초음파 처리되는 동안 3mm 유리 탄소 디스크 인 작업 전극을 준비합니다.

0.05μm 콜로이드 알루미나 용액으로 덮인 부드러운 패드에서 소용돌이치는 원을 그리며 전극을 부드럽게 문질러 전극을 청소하고 연마합니다. 연마 후 전극을 탈이온수로 충분히 헹구어 알루미나를 제거합니다.

다음으로, 7mL의 잉크를 광택 처리된 수직 방향의 유리 탄소 전극에 떨어뜨립니다. 작업 전극을 실온에서 진공 상태에서 건조시킵니다. 그런 다음 80에서 말리십시오 ?? 촉매 나노 입자가 공기에 안정한 경우 1 시간 동안 C.?

먼저 유리 전기화학 전지에 10mL의 전해질을 채웁니다. 전기화학 전지를 세 개의 전극을 위한 구멍이 있는 테프론 캡으로 덮습니다. 산화 환원 활성 산소를 제거하기 위해 초고순도 질소 가스로 전해질을 최소 30분 동안 가스를 제거합니다. 실험 내내 질소가 가볍게 거품이 나도록 합니다.

3M NaCl 저장 용액에서 Ag/AgCl® 기준 전극을 제거합니다. 전극을 탈이온수로 철저히 헹구고 전기화학 셀에 넣습니다.

다음으로, 백금선 상대 전극과 건조된 작동 전극을 탈이온수로 헹구고 셀에 삽입합니다. 전극이 닿지 않도록 하십시오. potentiostat를 켜고 리드를 기준 및 상대 전극에 연결합니다.

초당 50mV의 속도로 전위 상한과 하한 사이의 순환 전압전류법 스캔을 실행하여 최소 20개의 컨디셔닝 사이클을 수행합니다. 이 단계는 전극 표면이 완전히 수화되도록 합니다.

선형 스윕 전압주사법(LSV)은 초기 및 최종 전위와 스캔 속도를 지정하여 수행할 수 있습니다. LSV의 스캔 속도는 일반적으로 CV의 스캔 속도보다 낮습니다. 그 결과, 산화 또는 환원 이벤트가 있는 전위 대 전류의 플롯이 스캔에서 피크로 시각화됩니다. 이 경우, 음극 스캔에서 전해질의 과염소산염이 촉매 표면에서 환원되었습니다.

크로노암페어 측정을 수행하려면 기술로 선택한 다음 고정 전위와 시간을 지정하십시오. 결과는 현재 대 시간의 플롯입니다. 초기 감쇠는 용량성 방전으로 인한 반면 정상 상태 부분은 본질적으로 직선입니다. 크로노암페로메트리는 전위차 정역학적이므로 용량성 효과의 초기 점근 감쇠 후 표면 반응에 기인하는 전류를 분리할 수 있습니다.

마지막으로, 크로노포텐쇼미터는 일련의 전류 단계로 수행되며, 여기서 하나의 전류가 특정 시간 동안 지정됩니다. 전류가 0에서 작동 전류로 전환될 때마다 전위의 초기 점근 변화가 있고 그 후 정상 상태가 발생합니다. 각 온/오프 사이클 후에 안정적인 촉매 재료는 지정된 전류를 구동하기 위해 동일한 과전위가 필요합니다.

전위차(potentiostat)를 사용한 전기화학적 측정은 분석 및 제조에 널리 사용됩니다.

전기화학은 전극에 대한 프로브 분자의 결합을 분석하는 데 사용됩니다. 이 예에서 전극은 미세유체 채널 내에서 패터닝되고 단일 가닥 DNA로 기능화되었습니다. DNA가 상보(complement) 가닥과 혼성화되었을 때, 산화 환원 커플은 전극 표면에서 차단되었다.?

그런 다음 3개의 프로브 전극을 사용하여 전극을 전위차에 연결하여 DNA 혼성화를 측정했습니다.

전류 흐름에 대한 저항을 측정한 임피던스 측정은 상보 DNA 농도가 증가하면 임피던스가 증가하여 혼성화가 증가한다는 것을 보여주었습니다.

다음으로, 전기화학 공정을 사용하여 전극에서 생물막의 성장을 모니터링하고 특성화했습니다. 이를 위해 3전극 셀이 조립되었으며 전해질은 셀 배지입니다.

정확한 측정과 재현 가능한 배양 조건을 달성하기 위해 크로노암페어 측정법을 사용하여 생물막의 성장을 모니터링했습니다.

전기화학 기술은 전극 표면의 박막 및 층을 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다. 전기 신호는 전극 표면에서 국부적인 환경을 트리거하여 재료의 자체 조립을 유도할 수 있습니다.

이 예에서는 전착을 사용하여 생체 물질의 증착을 수행했습니다. 바이오 다당류인 키토산(Chitosan)은 전극 표면에서 졸-겔 전이를 거쳐 필름을 생성합니다.

방금 JoVE의 전위차계 소개를 시청하셨습니다. 이제 일반적인 3전극 셀을 설정하고 기본적인 전기화학 테스트를 수행하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!