Name: Proste metody przygotowania elektrod masowych z metali nieszlachetnych do zastosowań elektrokatalitycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-21T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 18 s
Description: Poznaj prostą metodę przygotowania elektrod z Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 jako alternatywę dla konwencjonalnego nanostrukturyzowania. Technika zapewnia wysoką stabilność i odtwarzalność w reakcjach ewolucji wodoru.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Dziękujemy B. Konkena i W. Schuhmannowi za cenne dyskusje naukowe. Wsparcie finansowe ze strony Fonds of the Chemical Industry (stypendium Liebiga dla U.-P.A.) oraz Deutsche Forschungsgemeinschaft (stypendium Emmy Noether dla U.-P.A., AP242/2-1).

1. Wysokotemperaturowa synteza Fe 4,5 Ni 4,5 S 8
UWAGA: Opisana tutaj procedura syntezy Fe4.5Ni4.5S8 została zaczerpnięta z literatury. 8,10 Ścisłe stosowanie zgłoszonych ramp grzewczych ma duże znaczenie dla zapobiegania powstawaniu zanieczyszczeń fazowych i wad ampułki krzemionkowej.
<ol>
	<li>Żelazo (1,66 g, 29,8 mmol), nikiel (1,75 g, 29,8 mmol) i siarkę (1,70 g, 53,1 mmol) dokładnie wymieszać w moździerzu i przenieść mieszaninę do ampułki krzemionkowej (średnica 10 mm).</li>
	<li>Opróżnij ampułkę przez noc przy ciśnieniu 10-2 mbar.</li>
	<li>Zamknij ampułkę i umieść ją w piecu rurowym.</li>
	<li>Zwiększyć temperaturę z temperatury pokojowej (RT) do 700 °C przy 5 °C/min, a następnie wykonać etap izotermiczny przez 3 godziny.</li>
	<li>Zwiększyć temperaturę do 1100 °C w ciągu 30 minut i utrzymywać ją w izotermie przez 10 godzin.</li>
	<li>Powoli schłodzić próbkę do temperatury pokojowej, wyłączając piec. Rozbij ampułkę, aby zebrać stały produkt. Upewnij się, że Fe4.5Ni4.5S8 jest całkowicie oddzielony od fragmentów szkła krzemionkowego.</li>
</ol>
2. Charakterystyka fizyczna
<ol>
	<li>Zamontuj kawałek skały Fe4,5Ni4,5S8 o wymiarach 10 mm x 5 x 3 mm na uchwycie próbki i umieść w komorze próżniowej przyrządu SEM. Nagrywaj obrazy SEM w powiększeniu 650x i 6,500x przy napięciu 20 kV. Jednocześnie należy użyć tej samej próbki do analizy EDX przy napięciu 4,4 kV.</li>
	<li>W celu zebrania danych PXRD należy nałożyć drobno zmielony proszek Fe4,5Ni4,5S8 i zamontować go na amorficznej płytce krzemowej za pomocą smaru silikonowego. Zamontuj płytkę na uchwycie próbki i zbierz dane w trybie ciągłego skanowania pod kątem 10-50° z szybkością skanowania 0,03° na 5 s przy użyciu promieniowania Cu-Kα (λ = 1,5418 A).</li>
	<li>Do analizy Mössbauera używa się drobno zmielonego proszku i umieszcza go w kubku z polioksymetylenu (POM). Rejestrować widma Mössbauera w polu zerowym w temperaturze 25 °C przy użyciu źródła promieniowania 57Co w matrycy Rh.</li>
	<li>Do analizy DSC drobno zmielony proszek umieszcza się w wytarowanym tyglu α-Al2O3 . Wykonaj pomiary DSC w zakresie od RT do 1 000 °C, rejestrując krzywą ogrzewania i chłodzenia z prędkością 10 °C/min. Wykonaj eksperyment pod przepływem azotu o wysokiej czystości.</li>
</ol>
3. Przygotowanie elektrod 'skalnych'
<ol>
	<li>drut miedziany do tulejki drucianej.</li>
	<li>Pokrój materiał sypki Fe4,5Ni4,5S8 na mniejsze kawałki (ok. 5 mm x 5 mm x 5 mm).</li>
	<li>Umieść mały kawałek Fe4,5Ni4,5S8 w skuwce w taki sposób, aby ok. 2 mm materiału wystawało z tulejki.</li>
	<li>Przykryj tuleję i drut miedziany rurką teflonową o średnicy 100 mm.</li>
	<li>Uszczelnij końcówkę elektrody dwuskładnikowym klejem epoksydowym i wysusz elektrodę przez noc w warunkach otoczenia.</li>
	<li>Szlifuj końcówkę, aż odsłonięta zostanie błyszcząca powierzchnia (metaliczne wykończenie) Fe4,5Ni4,5S8. Następnie wypolerować drobnym papierem ściernym (ziarnistość 20, 14, 3 i 1 μm), aby uzyskać gładką powierzchnię.</li>
	<li>Oczyść powierzchnię wodą dejonizowaną i pozostaw do wyschnięcia na powietrzu.</li>
</ol>
4. Przygotowanie elektrod 'Pellet'
UWAGA: Specjalnie skonstruowane teflonowe obudowy z mosiężnym prętem były używane jako styk dla elektrod 'pelletowych' (średnica 3 mm).
<ol>
	<li>Zmielić 50 mg materiału, aby uzyskać drobny proszek materiału Fe4,5Ni4,5S8.</li>
	<li>Wsyp drobno zmielony proszek do narzędzia do prasowania (o średnicy 3 mm) i dociśnij materiał z maksymalną siłą 800 kg/cm2.</li>
	<li>Wyjmij granulat z formy za pomocą uchwytu dystansowego.</li>
	<li>Nałóż dwuskładnikowy klej epoksydowy srebra na mosiężny pręt we wnęce obudowy teflonowej. Unikaj zanieczyszczenia końcówki obudowy teflonowej.</li>
	<li>Umieść pellet w teflonowej osłonce. Płaska strona pelletu musi wystawać ~1 mm.</li>
	<li>Usuń wszelkie zanieczyszczenia z obudowy teflonowej za pomocą papierowej chusteczki higienicznej.</li>
	<li>Sprawdź kontakt między drutem mosiężnym a granulką Fe4.5Ni4.5S8 za pomocą woltomierza, aby zapewnić prawidłową przewodność.</li>
	<li>Po 12 godzinach od utwardzenia dwuskładnikowego kleju w temperaturze 60 °C należy schłodzić elektrodę do temperatury otoczenia.</li>
	<li>Wypoleruj elektrodę papierem ściernym (ziarnistość 20, 14, 3 i 1 μm), aby uzyskać błyszczącą, płaską powierzchnię w obudowie teflonowej.</li>
	<li>Oczyść powierzchnię wodą dejonizowaną i pozostaw do wyschnięcia w warunkach otoczenia.</li>
</ol>
5. Badania elektrochemiczne elektrod
UWAGA: Eksperymenty zostały przeprowadzone przy użyciu standardowego zestawu trzech elektrod, używając elektrody Fe4.5Ni4.5S8 jako elektrody roboczej, elektrody Ag/AgCl (sat. KCl lub 3 M roztwór KCl) jako elektrody odniesienia i drutu Pt lub siatki Pt jako przeciwelektrody. Gazoszczelne ogniwo wyposażone w mieszadło zostało napełnione elektrolitem o objętości 0,5 M H2SO4 do wszystkich eksperymentów elektrochemicznych. Elektrolit nie został wymieniony podczas badania elektrochemicznego elektrody. Wszystkie potencjały są odniesione do ERHE (RHE = odwracalna elektroda wodorowa) zgodnie z ERHE = EAg/AgCl + X + 0,059 pH przy X = 0,197 V (nasycone KCl) lub X = 0,210 V (3 M KCl), chyba że zaznaczono inaczej.
<ol>
	<li>Kroki wstępne
	<ol>
		<li>Połącz wszystkie trzy elektrody z przewodami potencjostatu.</li>
		<li>Dodać 25 ml elektrolitu (0,5 M H2SO4) do ogniwa elektrochemicznego i wyregulować elektrody, aby upewnić się, że elektrody są całkowicie zanurzone w roztworze. Następnie włącz potencjostat.</li>
		<li>Włącz mieszanie magnetyczne.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Elektrochemiczne czyszczenie powierzchni elektrody
	<ol>
		<li>Wykonaj eksperyment z woltamperometrią cykliczną (CV), aby uzyskać szybki przegląd procesów elektrochemicznych, które można zaobserwować.</li>
		<li>Ustaw zakres potencjału od 0,2 do -0,2 V z szybkością skanowania 100 mV/s (obszar potencjału niekatalitycznego). Ponadto ustaw liczbę cykli na 20.</li>
		<li>Rozpocznij proces cyklu i poczekaj, aż ostatni cykl zostanie zakończony. Jeśli co najmniej ostatnie 3 do 4 uzyskanych cykli pokrywają się, elektrochemiczne czyszczenie elektrody jest zakończone. W przypadku dywergencji należy dodawać kolejne cykle, aż do uzyskania stabilnych krzywych.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar wydajności katalitycznej – woltamperometria liniowa
	<ol>
		<li>Przed rozpoczęciem eksperymentu należy określić wartość kompensacji iR dla układu elektrochemicznego.</li>
		<li>Wybierz program do eksperymentów z woltamperometrią liniową (LSV) i ustaw zakres potencjału od 0,2 do -0,6 V, a szybkość skanowania na 5 mV/s, w tym spadek iR w eksperymencie. Rozpocznij eksperyment.</li>
		<li>Powtórz eksperymenty z przemiataniem liniowym, aby zapewnić odtwarzalność. W przypadku wyników niepowtarzalnych należy zacząć od kroku 5.2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pomiar stabilności i kwantyfikacja
	<ol>
		<li>Wykonaj eksperyment kulometryczny o kontrolowanym potencjale (CPC).</li>
		<li>Ustaw potencjał na -0,6 V przy czasie eksperymentu wynoszącym co najmniej 20 godzin (72 000 s).</li>
		<li>Jednocześnie pobierać próbki gazu za pomocą gazoszczelnej strzykawki z przestrzeni nad głową zamkniętej komórki przez przegrodę przez przegrodę przez każdą godzinę przez co najmniej 4 godziny eksperymentu. Wstrzyknąć próbki do przyrządu do chromatografii komputerowej w celu określenia ilościowego i określić ilość wyprodukowanego wodoru za pomocą krzywej kalibracyjnej zapisanej na tym urządzeniu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Oszacowanie powierzchni elektrochemicznej (ESCA) 
	UWAGA: Nie mieszaj roztworu elektrolitu podczas tego eksperymentu.
	<ol>
		<li>Określ kompensację iR, aby zmierzyć rezystancję roztworu.</li>
		<li>Wybierz zakres potencjału od 0,1 do 0 V w eksperymencie z woltamperometrią cykliczną i ustaw szybkość skanowania na 10 mV s-1. Użyj korekcji spadku iR. Ustaw liczbę cykli eksperymentu na 5.</li>
		<li>Powtórz kroki od 5.4.1) do 5.4.2) dla szybkości skanowania 20, 30, 40, 50 i 60 mV s-1.</li>
		<li>Z otrzymanych krzywych CV wybierz piąty cykl do dalszej interpretacji.</li>
		<li>Określ różnice gęstości prądu ładowania (Δj = ja jc) i wykreśl te wartości jako funkcję szybkości skanowania. Nachylenie liniowe jest równe dwukrotności pojemności dwuwarstwowej Cdl, która jest proporcjonalna do pola powierzchni elektrochemicznej (ECSA).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS)
	<ol>
		<li>Rejestrować widma impedancji elektrochemicznej w zakresie częstotliwości od 50 kHz do 1 Hz przy odpowiednim potencjale obwodu otwartego i nadpotencjale 0,3 V.</li>
		<li>Wykreśl wykres Nyquista na podstawie otrzymanych danych, aby określić rezystancję przenoszenia ładunku.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>May, M. M., Lewerenz, H. -J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+direct+solar-to-hydrogen+conversion+by+in+situ+interface+transformation+of+a+tandem+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comm%22%5BJournal%5D)">Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure.</a> Nat Comm. 6, 8286(2015).</li>
<li>Sheng, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlating+hydrogen+oxidation+and+evolution+activity+on+platinum+at+different+pH+with+measured+hydrogen+binding+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comm%22%5BJournal%5D)">Correlating hydrogen oxidation and evolution activity on platinum at different pH with measured hydrogen binding energy.</a> Nat Comm. 6, 5848(2015).</li>
<li>Li, X., Hao, X., Abudula, A., Guan, G. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ta/c6ta02334g">Nanostructured catalysts for electrochemical water splitting: Current state and prospects.</a> J. Mater. Chem. A. 4 (31), 11973-12000 (2016).</li>
<li>Merki, D., Hu, X. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/ee/c1ee01970h">Recent developments of molybdenum and tungsten sulfides as hydrogen evolution catalysts.</a> Energy Environ. Sci. 4 (10), 3878(2011).</li>
<li>Kibsgaard, J., Chen, Z., Reinecke, B. N., Jaramillo, T. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineering+the+surface+structure+of+MoS2+to+preferentially+expose+active+edge+sites+for+electrocatalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Engineering the surface structure of MoS2 to preferentially expose active edge sites for electrocatalysis.</a> Nat Mater. 11 (11), 963-969 (2012).</li>
<li>Kong, D., Cha, J. J., Wang, H., Lee, H. R., Cui, Y. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/ee/c3ee42413h">First-row transition metal dichalcogenide catalysts for hydrogen evolution reaction.</a> Energy Environ. Sci. 6 (12), 3553(2013).</li>
<li>Voiry, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nmat/journal/v12/n9/full/nmat3700.html">Enhanced catalytic activity in strained chemically exfoliated WS(2) nanosheets for hydrogen evolution.</a> Nat Mater. 12 (9), 850-855 (2013).</li>
<li>Konkena, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pentlandite+rocks+as+sustainable+and+stable+efficient+electrocatalysts+for+hydrogen+generation%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Comm%22%5BJournal%5D)">Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation.</a> Nat Comm. 7, 12269(2016).</li>
<li>Jeon, H. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+Chemical+Solution+Deposition+of+Co%E2%82%83O%E2%82%84+Thin+Film+Electrocatalyst+for+Oxygen+Evolution+Reaction%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Simple Chemical Solution Deposition of Co₃O₄ Thin Film Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 7 (44), 24550-24555 (2015).</li>
<li>Xia, F., Pring, A., Brugger, J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0892687511004274">Understanding the mechanism and kinetics of pentlandite oxidation in extractive pyrometallurgy of nickel.</a> Mine Eng. 27-28, 11-19 (2012).</li>
<li>Drebushchak, V. A., Kravchenko, T. A., Pavlyuchenko, V. S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022024898005405">Synthesis of pure pentlandite in bulk.</a> J Crystal Growth. 193 (4), 728-731 (1998).</li>
<li>Knop, O., Huang, C. -H., Reid, K., Carlow, J. S., Woodhams, F. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022459676900128">Chalkogenides of the transition elements. X. X-ray, neutron, Mössbauer, and magnetic studies of pentlandite and the π phases π(Fe, Co, Ni, S), Co8MS8, and Fe4Ni4MS8 (M = Ru, Rh, Pd).</a> J Solid State Chem. 16 (1-2), 97-116 (1976).</li>
<li>Kullerud, G. <a target="_blank" href="http://canmin.geoscienceworld.org/content/7/3/353">Thermal stability of pentlandite.</a> The Canadian Mineralogist. 7 (3), 353-366 (1963).</li>
<li>Siracusano, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319911014595">An electrochemical study of a PEM stack for water electrolysis.</a> Int J Hydrogen Energy. 37 (2), 1939-1946 (2012).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Syntezę Fe4,5Ni4,5S8 przeprowadzono w zamkniętej próżniowo ampułce, aby zapobiec utlenianiu materiału podczas syntezy. Podczas syntezy kontrola temperatury jest kluczem do uzyskania czystego produktu. Pierwszy, bardzo powolny etap podgrzewania zapobiega zatem przegrzaniu siarki, co mogłoby spowodować pękanie ampułki z powodu wysokiego ciśnienia siarki. Jeszcze ważniejsze jest zapobieganie zanieczyszczeniom fazowym, takim jak stałe roztwory monosiarczkowe (mss), poprzez powolne podgrzewani...

Magazynowanie zmiennych odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, ma duże znaczenie społeczne ze względu na stopniowe zanikanie paliw kopalnych i wynikające z tego zapotrzebowanie na alternatywne źródła energii. Pod tym względem wodór jest obiecującym, zrównoważonym kandydatem na rozwiązanie do magazynowania energii molekularnej ze względu na czysty proces spalania. 1 Dodatkowo wodór może być używany jako paliwo lub jako materiał wyjściowy dla bardziej złożonych paliw, np. metanolu. Preferowanym sposobem łatwej syntezy wodoru przy użyciu zasobów neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla jest elektrochemiczna redukcja wody przy użyciu zrównoważonych źródeł energii.
Obecnie, platyna i jej stopy są znane jako najbardziej efektywne elektrokatalizatory do reakcji wydzielania wodoru (HER), wykazując niski nadpotencjał, szybkie tempo reakcji i działanie przy wysokich gęstościach prądu. 2 Jednak ze względu na wysoką cenę i niską naturalną obfitość, potrzebne są alternatywne katalizatory z metali nieszlachetnych. Wśród ogromnej ilości alternatywnych katalizatorów z metali przejściowych nieszlachetnych, 3, zwłaszcza dichalkogenków metali przejściowych (MX2; M = Metal; Wykazano, że X = S, Se) mają wysoką aktywność HER. 4,5,6,7 W związku z tym niedawno przedstawiliśmy Fe4.5Ni4.5S8 jako wysoce trwały i aktywny elektrokatalizator HER "rockowy". Ten naturalnie występujący materiał jest stabilny w kwaśnych warunkach i wykazuje wysoką przewodność wewnętrzną z dobrze zdefiniowaną katalityczną powierzchnią czynną. 8
Chociaż zgłoszono wiele materiałów o wysokiej aktywności HER, przygotowanie elektrody często wiąże się z wieloma problemami, >np. odtwarzalnością i zadowalającą stabilnością (>24 h). Dodatkowo, ponieważ przewodność wewnętrzna katalizatorów na bazie metali przejściowych w masie jest zwykle wysoka, przygotowanie elektrod wymaga katalizatorów nanostrukturalnych, aby umożliwić wydajny transfer elektronów. Katalizatory te są następnie przekształcane w tusz katalityczny zawierający spoiwa, takie jak Nafion i katalizator. Następnie tusz jest powlekany kroplowo na obojętnej powierzchni elektrody (np. szklistym węglem). Podczas gdy przy niskich gęstościach prądu zwykle obserwuje się zwiększoną rezystancję styku i przeciętne przyleganie katalizatora do wspornika elektrody. 9 Stąd potrzeba bardziej odpowiednich metod przygotowania i materiałów elektrodowych jest oczywista.
Ten protokół przedstawia nowatorską procedurę przygotowania dla wysoce trwałych i opłacalnych elektrod przy użyciu materiałów sypkich. Warunkiem zastosowania takiej elektrody jest niska rezystancja materiałów własnych. Fe4,5Ni4,5S8 spełnia to kryterium i może być otrzymywany z pierwiastków poprzez prostą syntezę wysokotemperaturową w szczelnych ampułkach krzemionkowych. Otrzymany materiał scharakteryzowano pod względem budowy, morfologii i składu za pomocą dyfraktometrii rentgenowskiej proszku (PXRD), różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) oraz spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX). Zsyntetyzowany materiał jest przetwarzany w celu uzyskania dwóch rodzajów elektrod masowych, a mianowicie elektrod "skalnych" i "granulowanych". Działanie obu typów elektrod jest następnie badane za pomocą standardowych testów elektrochemicznych i oznaczania ilościowegoH2 za pomocą chromatografii gazowej (GC). Przedstawiono porównanie wydajności obu typów elektrod w porównaniu z powszechnie stosowanymi eksperymentami z powlekaniem kroplowym.

<table><tbody><tr><td>Żelazo, proszek</td><td>Sigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com</td><td>12310-500G-R</td><td></td></tr><tr><td>Nikiel, proszek</td><td>Sigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com</td><td>203904-25G</td><td>H: 351-372-317-412; P: 281-273-308-313-302+352</td></tr><tr><td>Siarka, proszek</td><td>Sigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com</td><td>13803-1KG-R</td><td>H: 315</td></tr><tr><td>Srebrny klej epoksydowy EC 151 L</td><td>Polytec PT, http://www.polytec-pt.de/de/</td> <td>161010-1-Dwuskładnikowy</td><td></td></tr> <tr><td>klej epoksydowy Uhu Plus Endfest</td><td>Uhu, http://www.uhu.com</td><td>-</td><td>&nbsp; Tel.: 315-319-317-411; &nbsp; P: 101-102-261-272-280-302+352-333+313-362-363-305+351+338-337+313</td></tr><tr><td>Kwas siarkowy >95%</td> <td>VWR, https://ru.vwr.com</td><td>231-639-5</td><td>H: 290-314; S: (1/2) -26-30-45</td></tr><tr><td>Rurka PTFE</td> <td>-</td><td></td> Przygotuj żelazne rękawy <td>o długości 8 cm</td></tr> <tr><td></td><td>-</td><td></td> <td>Podłącz do drutu miedzianego</td></tr><tr><td>Drut miedziany</td> <td>-</td><td>--</td><td></td></tr> <tr><td>Folia docierająca 3 i mikro; m, 215.9 mm x 279 mm</td><td>3M, http://3mpro.3mdeutschland.de</td><td>60-0700-0232-8</td><td>Polerowanie z niewielką ilością wody</td></tr><tr><td>Folia docierająca 1&mikro; m, 215.9 mm x 279 mm</td><td>3M, http://3mpro.3mdeutschland.de</td><td>60-0700-0266-6</td><td>Polerowanie z niewielką ilością wody</td></tr><tr><td>Papier ścierny 20 &micro; m, SiC</td> <td>-</td><td>--</td><td></td></tr> <tr><td>Papier ścierny 14 i mikro; m, SiC</td><td>-</td><td>--</td><td></td></tr> <tr><td>Dremel Model 225</td><td>Dremel, https://www.dremeleurope.com</td><td>2615022565</td><td>Do cięcia należy używać ściernicy pasowej&nbsp;</td></tr><tr><td>Ręcznie robiona prasa do peletów</td><td>Ręcznie robiona</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>Płyta mieszająca</td> <td>-</td><td>--</td><td></td></tr> <tr><td>GAMRY Reference 600</td><td>Instrumenty GAMRY, https://www.gamry.com</td><td>-</td><td>-</td></tr><tr><td>Piec Gero 30-3,000 & stopni; C</td><td>http://www.carbolite-gero.de</td> <td>-</td><td></td></tr> <tr><td>Ampułka ze szkła kwarcowego</td><td>ręcznie robiona</td> <td>-</td><td></td></tr> <tr><td>Pompa próżniowa</td> <td>-</td><td>--</td><td></td></tr> <tr><td>Prasa hydrauliczna</td> <td>-</td><td>--</td><td></td></tr></tbody></table>

proste metody przygotowania elektrod masowych z metali nieszlachetnych do zastosowań elektrokatalitycznych

Simple Methods for the Preparation of Non-noble Metal Bulk-electrodes for Electrocatalytic Applications

Materiał skalny, pentlandyt, o składzie: Fe4.5, Ni,4.5S8, został zsyntetyzowany w procesie syntezy wysokotemperaturowej z pierwiastków. Strukturę i skład materiału scharakteryzowano za pomocą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej (PXRD), spektroskopii Mössbauera (MB), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) oraz spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX). Przedstawiono dwie metody przygotowania elektrod masowych pentlandytowych. W pierwszym podejściu kawałek syntetycznej skały pentlandytowej styka się bezpośrednio za pomocą drucianej tulejki. Drugie podejście wykorzystuje granulki pentlandytu, sprasowane z drobno zmielonego proszku, który jest unieruchomiony w teflonowej osłonce. Obie elektrody, mimo że są przygotowywane metodą bezaddytywną, wykazują wysoką trwałość podczas konwersji elektrokatalitycznych w porównaniu z popularnymi metodami powlekania kropelkowego. Prezentujemy tutaj uderzającą wydajność takich elektrod w przeprowadzaniu reakcji wydzielania wodoru (HER) i przedstawiamy znormalizowaną metodę oceny wydajności elektrokatalitycznej metodami elektrochemicznymi i chromatografią gazową. Ponadto przeprowadzamy testy stabilności metodami potencjostatycznymi przy nadpotencjale 0,6 V w celu zbadania ograniczeń materiałowych elektrod podczas elektrolizy w warunkach przemysłowych.

Pomyślną syntezę Fe4.5Ni4.5S8 o strukturze pentlandytu potwierdzono za pomocą badań dyfrakcji proszków metodą rentgenowską, ponieważ obserwuje się charakterystyczne odbicia (111), (311), (222), (331) oraz (511) (Rysunek 1a). Jednak kluczowym czynnikiem umożliwiającym otrzymanie materiałów o czystej fazie jest odpowiednia kontrola temperatury podczas reakcji. Warto zauważyć, że roztwory stałe jednosulfkowe (mss), stanowiące typ...

Przedstawiono łatwą metodę przygotowania elektrod przy użyciu materiału sypkiego Fe4.5Ni4.5S8. Metoda ta stanowi technikę alternatywną dla konwencjonalnego wytwarzania elektrod i opisuje wymagania wstępne dla niekonwencjonalnych materiałów elektrodowych, w tym prostą metodę badań elektrokatalitycznych.

Proste metody przygotowania elektrod masowych z metali nieszlachetnych do zastosowań elektrokatalitycznych

The rock material pentlandite with the composition Fe4.5Ni4.5S8 was synthesized via high temperature synthesis from the elements. The structure and ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zademonstrowanie prostej i bezpośredniej metody przygotowania elektrod do testów elektrochemicznych w oparciu o przewodzący katalizator w stanie stałym, jako alternatywy dla konwencjonalnego przygotowania metodą drop-coating w reakcji wydzielania wodoru. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie przygotowania materiałów elektrodowych. Główną zaletą tej techniki jest to, że zapewnia ona łatwą drogę do uzyskania wysoce odpornych, wysokowydajnych elektrod bez konieczności stosowania sztucznego nanostrukturyzowania.Pomysł na tę metodę pojawił się u nas podczas syntezy bipedalitu, kiedy napotkaliśmy problemy ze stabilnością i powtarzalnością przy przygotowywaniu elektrod za pomocą konwencjonalnych metod nakładania kropel (drop coating). Wizualna prezentacja tej techniki jest kluczowa, ponieważ parametry procesu mogą mieć silny wpływ na wydajność i stabilność katalizatora oraz elektrody. Procedurę tę zaprezentuje Mathias Smialkowski, student z naszego laboratorium.Aby rozpocząć tę procedurę, dokładnie wymieszaj żelazo, nikiel i siarkę za pomocą moździerza i tłuczka. Przenieś mieszaninę do ampułki kwarcowej o średnicy 10 millimeter. Następnie przez noc odgazuj ampułkę do ciśnienia 10⁻² milli bar.Po zamknięciu ampuły umieść ją w piecu rurkowym. Zwiększ temperaturę pieca z temperatury pokojowej do 700 degree celsius w tempie pięciu degree celsius na minutę, a następnie przeprowadź etap izotermiczny trwający trzy godziny. Następnie zwiększ temperaturę pieca do 1, 100 degree celsius w ciągu 30 minut, po czym przeprowadź etap izotermiczny trwający 10 godzin.Następnie, wyłączając piec, powoli schładzaj próbkę do temperatury pokojowej. Po wyjęciu ampułki z pieca, rozbij ją, aby zebrać produkt stały. Zmiel materiał objętościowy pentlandytu, aby uzyskać drobny proszek.Przenieś około 50 milligrams proszku do narzędzia prasującego o średnicy trzech milimetrów i sprasuj materiał z maksymalną siłą nacisku. Następnie wyjmij pellet z formy, używając uchwytu dystansowego. Po tym kroku nałóż dwuskładnikowy klej epoksydowy srebrowy na mosiężny pręt, wewnątrz otworu obudowy z Teflonu.Umieść granulat w teflonowej oprawie w taki sposób, aby płaska strona granulatu wystawała mniej więcej o jeden milimetr. Usuń wszelkie zanieczyszczenia z teflonowej oprawy za pomocą papierowego ręcznika. Następnie, za pomocą woltomierza sprawdź kontakt między mosiężnym drutem a granulatem pentlandytu, aby zapewnić odpowiednią przewodność.Po 12-godzinnym utwardzaniu kleju dwuskładnikowego w temperaturze 60 °C, schłodzić elektrodę do temperatury pokojowej. Wypolerować schłodzoną elektrodę za pomocą serii papierów ściernych o drobnej ziarnistości, aby uzyskać błyszczącą, gładką i płaską powierzchnię w obrębie obudowy z Teflonu. Następnie oczyścić powierzchnię wodą dejonizowaną i pozostawić do wyschnięcia w warunkach otoczenia.Podłącz wszystkie trzy elektrody za pomocą przewodów potencjostatu. Następnie dodaj 25 mililitrów elektrolitu do ogniwa elektrochemicznego i ustaw elektrody tak, aby były w pełni zanurzone w roztworze. Następnie przedmuchaj roztwór argonem przez 30 minut.Po przepłukaniu włącz potencjostat oraz mieszadło magnetyczne. Przeprowadź eksperyment woltamperometrii cyklicznej, ustawiając najpierw zakres potencjału od 0,2 do minus 0,2 V, szybkość skanowania na 100 mV/s oraz liczbę cykli na 20. Następnie rozpocznij proces cyklowania, oczekując na zakończenie ostatniego cyklu.Jeśli ostatnie trzy do czterech uzyskane cykle pokrywają się, czyszczenie elektrody elektrochemicznej jest zakończone. W przypadku rozbieżności należy dodać kolejne cykle, aż do uzyskania stabilnych krzywych. Przed rozpoczęciem eksperymentu w trybie liniowej woltamperometrii należy wyznaczyć wartość kompensacji rezystancji wewnętrznej dla zestawu elektrochemicznego.Następnie należy wybrać program do eksperymentów woltamperometrii z liniowym sweepem, ustawić zakres potencjału od 0,2 do minus 0,6 V oraz szybkość skanowania na 5 mV/s, uwzględniając spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej w eksperymencie. Następnie należy rozpocząć pomiar. Eksperymenty woltamperometrii z liniowym sweepem należy powtórzyć, aby zapewnić powtarzalność wyników.Następnie przeprowadź eksperyment kontrolowanej potencjalnie kulometrii, ustawiając początkowo potencjał na minus 6,6 V przy czasie trwania eksperymentu wynoszącym co najmniej 20 godzin. Równocześnie pobieraj próbki gazu za pomocą szczelnej strzykawki z przestrzeni nadpłynnej zamkniętej celi do odpowiednich naczyń odbiorczych co godzinę przez co najmniej cztery godziny trwania eksperymentu. Wprowadź próbki do urządzenia JC w celu ilościowego oznaczenia i wyznacz ilość wyprodukowanego wodoru, korzystając z krzywej kalibracyjnej zapisanej w urządzeniu.W eksperymencie woltamperometrii cyklicznej wybierz zakres potencjału od 0,1 do 0 V i ustaw szybkość skanowania na 10 mV/s. Zastosuj korekcję spadku napięcia wynikającą z rezystancji wewnętrznej zgodnie z instrukcją i ustaw liczbę cykli eksperymentu na pięć. Powtórz poprzednie kroki dla szybkości skanowania wynoszących 20, 30, 40, 50 i 60 mV/s.Z uzyskanych krzywych woltamperometrii cyklicznej wybierz piąty cykl do dalszej interpretacji. Wyznacz różnice w gęstości prądu ładowania i przedstaw te wartości jako funkcję zakresu skanowania. Synteza pentlandytu o strukturze pentlandytu została potwierdzona za pomocą proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej (XRD).W przypadku szybszego nagrzewania zaobserwowano zanieczyszczenia roztworu stałego monosiarczynu; przy wolniejszej prędkości nagrzewania wynoszącej 5 °C na minutę zanieczyszczenia te można zredukować lub całkowicie wyeliminować. Spektroskopia Mössbauera potwierdziła strukturę pentlandytu i ujawniła dwa miejsca żelaza. Analiza DSC wykazała dwa przejścia fazowe, co potwierdziło brak faz niepożądanych.Tutaj przedstawiono obrazy SEM polerowanej skały pentlandytu oraz elektrod w formie pelletów. Z analizy EDX wynika, że stosunek żelaza, niklu i siarki jest zgodny z obserwacją czystej fazy pentlandytu w XRD. Tutaj pokazano woltomagramy z liniowego skanowania potencjału dla obu elektrod.Elektroda pokryta kropelką materiału złuszczonego nie wykazała poprawy właściwości elektrokatalitycznych. Ilość wytworzonego wodoru w zależności od czasu elektrolizy przy użyciu elektrody skalnej jest porównywalna z ilością uzyskaną dla elektrody w formie peletu. Gęstość prądu ładowania jako funkcja szybkości skanowania wykazuje niewielkie różnice w powierzchni elektrochemicznej oraz liczbie centrów aktywnych, co potwierdza, że elektrody charakteryzują się podobną wydajnością.Wykres Nyquista dla elektrody skalnej wykazuje niską rezystancję przeniesienia ładunku, co jest zgodne z wysoką przewodnością własną materiału; elektrody w formie tabletek wykazują podobne zachowanie. Po opanowaniu ta technika może być wykorzystana dla wielu materiałów w bardzo krótkim czasie, pod warunkiem prawidłowego wykonania. Podczas przeprowadzania tej procedury należy pamiętać, że badany materiał musi być przewodzący.Postępowanie zgodnie z poniższą procedurą dostarczy standardowego protokołu, który pozwoli na ocenę materiałów elektrokatalitycznych i właściwe porównanie wyników. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat przygotowania stabilnych elektrod z katalizatorów w formie sypkiej bez użycia spoiw oraz sposobu ich prawidłowego testowania pod kątem wydajności elektrokatalitycznej.

simple-methods-for-preparation-non-noble-metal-bulk-electrodes-for

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Niewodne przetwarzanie elektrod jest kluczowe dla budowy ogniw pastylkowych i oceny nowych chemii elektrod dla akumulatorów litowo-jonowych. Dostępny jest przewodnik krok po kroku po podstawowych praktykach potrzebnych inżynierowi elektrochemikowi pracującemu z bateriami w akademickich warunkach eksperymentalnych.

Niewodne przetwarzanie elektrod i budowa litowo-jonowych ogniw pastylkowych

Przygotowanie i testowanie katalizatorów ogniw paliwowych Pt/C jest przedmiotem ciągłych dyskusji w środowisku naukowym w odniesieniu do odtwarzalności i najlepszych praktyk. W ramach prezentowanej pracy zamierzamy przedstawić krok po kroku samouczek dotyczący wytwarzania i testowania katalizatorów Pt/C, które mogą służyć jako punkt odniesienia dla nowatorskich układów katalitycznych.

O przygotowaniu i testowaniu katalizatorów ogniw paliwowych metodą cienkowarstwowej obrotowej elektrody dyskowej

Tutaj prezentujemy protokół syntezy i testów elektrochemicznych pojedynczych atomów metali przejściowych skoordynowanych w wakatach grafenu jako aktywnych centrów selektywnej redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla w roztworach wodnych.

Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO2

Techniki wzbogacania mikroorganizmów na miejscu lub hodowli in situ mogą ułatwić izolację trudnych do hodowli taksonów mikroorganizmów, zwłaszcza z ekstremalnych środowisk o niskiej biomasie lub geochemicznie. W tym miejscu opisujemy układ elektrochemiczny bez użycia zewnętrznego źródła zasilania w celu wzbogacenia szczepów drobnoustrojów, które są zdolne do zewnątrzkomórkowego transportu elektronów (EET).

Wolnostojący zestaw elektrochemiczny do wzbogacania bakterii oddychających anodą na miejscu

Ogniwa trzyelektrodowe są przydatne w badaniu elektrochemii akumulatorów litowo-jonowych. Taki układ elektrochemiczny pozwala na odsprzęgnięcie i niezależne badanie zjawisk związanych z katodą i anodą. W tym miejscu przedstawiamy przewodnik dotyczący budowy i użytkowania trzyelektrodowego ogniwa pastylkowego z naciskiem na analitykę litowania.

Przygotowanie trzyelektrodowych ogniw pastylkowych i analiza elektroosadzania akumulatorów litowo-jonowych

Przedstawiono szybką, bezpośrednią metodę syntezy redukcyjnej opartej na roztworze w celu uzyskania aerożeli Au, Pd i Pt.

Metoda szybkiej syntezy aerożeli Au, Pd i Pt poprzez bezpośrednią redukcję na bazie roztworu

Ten protokół demonstruje metodę elektrochemicznego chropowatości cienkowarstwowych elektrod platynowych bez preferencyjnego rozpuszczania na granicy ziaren. Zademonstrowano techniki elektrochemiczne woltamperometrii cyklicznej i spektroskopii impedancyjnej w celu scharakteryzowania tych powierzchni elektrod.

Elektrochemiczne chropowatość makro i mikroelektrod cienkowarstwowych platynowych

Opisujemy wodne i organiczne systemy rozpuszczalnikowe do elektropolimeryzacji poli(3,4-etylenodioksytiofenu) do tworzenia cienkich warstw na powierzchni złotych mikroelektrod, które są używane do wykrywania analitów o niskiej masie cząsteczkowej.

Elektrochemiczne przygotowanie warstw poli(3,4-etylenodioksytiofenu) na mikroelektrodach złota do zastosowań związanych z wykrywaniem kwasu moczowego

Nanoporowate złoto o hierarchicznym i bimodalnym rozkładzie wielkości porów może być wytwarzane przez połączenie procesów elektrochemicznych i chemicznych. Skład stopu może być monitorowany za pomocą badania EDS-SEM w miarę postępu procesu sortowania. Nośność materiału można określić, badając adsorpcję białek na materiale.

Wszechstronna technika tworzenia hierarchicznego projektu z nanoporowatego złota

Jako technika analityczna, elektrochemia nanoimpactowa, coraz ważniejsze podejście do liczenia i charakteryzowania elektro-nieaktywnych cząstek w skali nanometrowej, cierpi z powodu niskiej precyzji z powodu niejednorodnych rozkładów prądu, które powstają w wyniku użycia ultramikroelektrod. Przedstawiono tutaj uogólnione podejście, zwane "przerwaniem elektrokatalitycznym", które zwiększa precyzję takich pomiarów.

Precyzyjne wymiarowanie elektrochemiczne poszczególnych cząstek nieaktywnych elektrycznie

Poznaj prostą metodę przygotowania elektrod z Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 jako alternatywę dla konwencjonalnego nanostrukturyzowania. Technika zapewnia wysoką stabilność i odtwarzalność w reakcjach ewolucji wodoru.

Proste metody przygotowania elektrod masowych z metali nieszlachetnych do zastosowań elektrokatalitycznych

Przeglądaj więcej filmów