Proste metody przygotowania elektrod masowych z metali nieszlachetnych do zastosowań elektrokatalitycznych

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie prostej i nieskomplikowanej metody przygotowania elektrobadań elektrochemicznych elektrod, opartej na przewodzącym katalizatorze w stanie stałym jako alternatywie dla konwencjonalnego preparatu do powlekania kroplowego w reakcji wydzielania wodoru. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w zakresie przygotowania materiałów elektrodowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia łatwą drogę do uzyskania wysoce wytrzymałych, wysokowydajnych elektrod bez potrzeby stosowania sztucznej nanostrukturyzacji.

Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy zsyntetyzowaliśmy dwunożny, zwiększyliśmy problemy ze stabilnością i odtwarzalnością, przygotowując elektrody przy użyciu konwencjonalnych metod powlekania kropelkowego. Wizualna demonstracja tej techniki ma kluczowe znaczenie, ponieważ parametry procesu mogą mieć duży wpływ na wydajność i stabilność katalizatora i elektrody. Tę procedurę zademonstruje Mateusz Śmiałkowski, student z naszego laboratorium.

Aby rozpocząć tę procedurę, dokładnie wymieszaj żelazo, nikiel i siarkę za pomocą moździerza i tłuczka. Przenieś mieszaninę do ampułki krzemionkowej o średnicy 10 milimetrów. Następnie opróżnij ampułkę przez noc w temperaturze 10 do minus dwóch milibarów.

Po uszczelnieniu ampułki umieść ją w piecu rurowym. Zwiększ temperaturę pieca z temperatury pokojowej do 700 stopni Celsjusza przy pięciu stopniach Celsjusza na minutę, a następnie wykonaj etap izotermiczny przez trzy godziny. Następnie w ciągu 30 minut zwiększ temperaturę pieca do 1,100 stopni Celsjusza, a następnie wykonaj etap izotermiczny przez 10 godzin.

Następnie powoli schłodzić próbkę do temperatury pokojowej, wyłączając piec. Po wyjęciu ampułki z pieca należy ją rozbić, aby zebrać produkt stały. Zmiel materiał sypki pentlandytu, aby uzyskać drobny proszek.

Przenieś około 50 miligramów proszku do narzędzia do prasowania o średnicy trzech milimetrów i dociśnij materiał z maksymalną siłą ciężaru. Następnie wyjmij granulat z formy za pomocą uchwytu dystansowego. Następnie nałóż dwuskładnikowy klej epoksydowy srebra na mosiężny pręt we wnęce teflonowej obudowy.

Umieść pellet w obudowie teflonowej tak, aby płaska strona pelletu wystawała na około jeden milimetr. Usuń wszelkie zanieczyszczenia z teflonowej obudowy za pomocą papierowej chusteczki. Następnie sprawdź kontakt między drutem mosiężnym a granulką pentlandytu z woltomierzem, aby zapewnić prawidłową przewodność.

Po 12 godzinach od utwardzenia dwuskładnikowego kleju w temperaturze 60 stopni Celsjusza schłodzić elektrodę do temperatury pokojowej. Wypoleruj schłodzoną elektrodę serią drobnych papierów ściernych, aby uzyskać błyszczącą, płaską powierzchnię w obudowie teflonowej. Następnie oczyść powierzchnię wodą dejonizowaną i pozostaw do wyschnięcia w warunkach otoczenia.

Połącz wszystkie trzy elektrody z przewodami potencjostatu. Następnie dodaj 25 mililitrów elektrolitu do ogniwa elektrochemicznego i wyreguluj elektrody, aby upewnić się, że są całkowicie zanurzone w roztworze. Następnie przeczytaj roztwór argonem przez 30 minut.

Po oczyszczeniu włącz potencjostat i mieszanie magnetyczne. Wykonaj eksperyment z woltamperometrią cykliczną, najpierw ustawiając zakres potencjału od 0,2 do minus 0,2 wolta, szybkość skanowania na 100 miliwoltów na sekundę i liczbę cykli na 20. Następnie rozpocznij proces cyklowania, czekając na zakończenie ostatniego cyklu.

Jeśli ostatnie trzy do czterech uzyskanych cykli zbiegają się, elektrochemiczne czyszczenie elektrody jest zakończone. W przypadku rozbieżności należy dodawać kolejne cykle, aż do uzyskania stabilnych krzywych. Przed rozpoczęciem eksperymentu z woltamperometrią liniową należy określić wartość kompensacji rezystancji wewnętrznej dla układu elektrochemicznego.

Następnie wybierz program do eksperymentów z woltamperometrią liniową i ustaw zakres potencjału od 0,2 do minus 0,6 wolta, a szybkość skanowania na pięć miliwoltów na sekundę, w tym spadek rezystancji wewnętrznej w eksperymencie. Następnie rozpocznij eksperyment. Powtórz eksperymenty z przemiataniem liniowym, aby zapewnić odtwarzalność.

Teraz wykonaj eksperyment kulometryczny o kontrolowanym potencjale, najpierw ustawiając potencjał na minus 6,6 wolta z czasem eksperymentu wynoszącym co najmniej 20 godzin. Jednocześnie pobierać próbki gazu za pomocą gazoszczelnej strzykawki z przestrzeni czołowej zamkniętej komórki, do pojemnika co godzinę przez co najmniej cztery godziny eksperymentu. Wstrzyknąć próbki do przyrządu JC w celu określenia ilościowego i określić ilość wyprodukowanego wodoru, używając krzywej kalibracyjnej zapisanej na przyrządzie.

Wybierz zakres potencjału od 0,1 do zera woltów w eksperymencie woltamperometrii cyklicznej i ustaw szybkość skanowania na 10 miliwoltów na sekundę. Użyj wewnętrznej korekcji spadku oporu, jak pokazano, i ustaw liczbę cykli eksperymentu na pięć. Powtórz poprzednie kroki dla skanowanych warkoczy o napięciu 20, 30, 40, 50 i 60 miliwoltów na sekundę.

Z uzyskanych krzywych woltamperometrii cyklicznej wybierz piąty cykl do dalszej interpretacji. Określ różnice gęstości prądu ładowania i wykreśl te wartości jako funkcję oplotu skanującego. Syntezę pentlandytu posiadającego strukturę pentlandytową, potwierdzono za pomocą proszku XRD.

Zanieczyszczenia roztworem stałym monosiarczynu zaobserwowano przy szybszym nagrzewaniu, przy wolniejszym tempie ogrzewania wynoszącym pięć stopni Celsjusza na minutę, zanieczyszczenia te można zmniejszyć lub wyeliminować. Spektroskopia Mossbauera również potwierdziła strukturę pentlandytu i ujawniła dwa stanowiska żelaza. DSC ujawnił dwie przemiany fazowe, potwierdzając brak niepożądanych faz.

Przedstawiono tutaj obrazy SEM pentlandytowych polerowanych elektrod skalnych i granulek. Z analizy EDX wynika, że stosunek żelaza, niklu i siarki jest zgodny z obserwacją czystej fazy pentlandytowej w XRD. Poniżej przedstawiono woltamperogramy liniowe przemiatania obu elektrod.

Elektroda pokryta złuszczoną kroplą nie wykazała poprawy wydajności elektrokatalitycznej. Ilość wodoru wytwarzanego w zależności od czasu elektrolizy przy użyciu elektrody skalnej, jest porównywalna z elektrodą granulowaną. Gęstość prądu ładowania w funkcji szybkości skanowania wykazuje marginalne różnice w polu powierzchni elektrochemicznej i liczbie miejsc aktywnych, co potwierdza, że elektrody mają podobną wydajność.

Wykres nyquista elektrody skalnej ujawnia niską rezystancję przenoszenia ładunku, co jest zgodne z wysoką przewodnością wewnętrzną materiału, elektrody granulkowe wykazują podobne zachowanie. Po opanowaniu technika ta może być wykorzystana do wielu materiałów w bardzo krótkim czasie, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że interesujący nas materiał musi przewodzić prąd.

Postępując zgodnie z tą procedurą, otrzymasz standardowy protokół, który pozwoli Ci ocenić materiały elektrokatalityczne i prawidłowo porównać wyniki. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przygotować stabilne elektrody z katalizatorów masowych bez użycia pionierów i jak prawidłowo je przetestować pod kątem wydajności elektrokatalitycznej.