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

Ogólnym celem tej procedury jest przygotowanie i przetestowanie katalizatorów ogniw paliwowych o dobrej odtwarzalności. Powtarzalne pomiary cienkowarstwowych elektrod wirujących dysków standardowego katalizatora mogą następnie posłużyć jako punkt odniesienia dla nowych katalizatorów. Testowanie katalizatora ogniw paliwowych metodą cienkowarstwową RDE wymaga doświadczenia.

Ten samouczek pomoże Ci uniknąć typowych pułapek eksperymentalnych tej metody. Główną zaletą tego protokołu jest to, że obejmuje on przygotowanie katalizatorów wzorcowych. Protokół ten zapewnia aktywność katalizatora węglowego platyny w oparciu o powierzchnię i masę platyny.

Pamiętaj, aby zawsze określić rzeczywistą zawartość platyny w katalizatorze przed badaniem. Aby rozpocząć procedurę, umieść w mikrofalowym naczyniu reakcyjnym cztery mililitry 0,4-molowego roztworu wodorotlenku sodu w glikolu etylenowym i cztery mililitry 40-milimolowego roztworu kwasu chloroplatynowego w glikolu etylenowym. Wyposaż naczynie w mieszadło.

Podgrzej mieszaninę w reaktorze mikrofalowym przez trzy minuty w temperaturze 160 stopni Celsjusza, delikatnie mieszając. Przenieś 7,3 mililitra powstałej koloidalnej zawiesiny nanocząstek platyny do probówki wirówkowej. Wytrącić dwie nanometrowe nanocząstki platyny za pomocą 30 mililitrów jednego molowego kwasu solnego.

Odwirować mieszaninę w temperaturze 2 900 razy g przez pięć minut i wyrzucić supernatant. Powtórz wirowanie w kwasie solnym i usunięcie supernatantu jeszcze dwukrotnie, aby zakończyć mycie nanocząstek. Następnie ponownie rozdmuchuj nanocząstki platyny w siedmiu mililitrach acetonu, ręcznie potrząsając pojemnikiem.

Rozproszyć 27,5 miligrama sadzy w jednym mililitrze acetonu metodą sonikacji. Połączyć dyspersje w kolbie z okrągłym dnem. Użyj parownika obrotowego lub linii Schlenk, aby całkowicie usunąć aceton.

Wysuszyć powstałą platynę na proszku katalizatora węglowego w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez noc. Następnie napełnij kąpiel ultradźwiękową zimną wodą. Dodaj 20 mililitrów wody dejonizowanej do wysuszonej platyny na proszku katalizatora węglowego i poddaj mieszaninę sonikacji w zimnej kąpieli ultradźwiękowej przez trzy minuty.

Zebrać proszek na bibule filtracyjnej z porami od czterech do siedmiu mikrometrów. Umyj proszek 200 mililitrami wody dejonizowanej. Następnie wysusz proszek przez noc w piecu próżniowym w temperaturze od 100 do 120 stopni Celsjusza i 10 kilopaskalach, aby uzyskać 50 procent wagowo platyny na proszku katalizatora węglowego.

Przed charakteryzacją wysuszyć platynę na proszku katalizatora węglowego przez noc w piecu próżniowym w temperaturze 80 stopni Celsjusza i 10 kilopaskalach. Zważyć suchy katalizator w proszku w tyglu ceramicznym z pokrywką. Umieścić zakryty tygiel w piecu muflowym.

Podgrzej proszek w temperaturze 900 stopni Celsjusza przez 30 minut na powietrzu, aby spalić podporę węglową. Następnie wyłącz piec i pozwól proszkowi ostygnąć do temperatury pokojowej w piecu przez noc. Następnie dodaj cztery mililitry wody królewskiej do proszku.

Podgrzej mieszaninę na gorącej płycie w temperaturze 80 stopni Celsjusza przez dwie godziny, aby strawić platynę. Następnie rozcieńczyć roztwór do 10 mililitrów wodą dejonizowaną. Wymieszaj 0,75 mililitra dwóch molowych kwasów solnych z 0,25 mililitra jednego molowego chlorku cyny(II) przygotowanego w czterech molowych kwasach solnych w kuwecie kwarcowej i dodaj jeden mililitr próbki wody królewskiej.

Jako tło rozpuszczalnika należy użyć mieszaniny 1,75 mililitra dwóch molowych kwasów solnych i 0,25 mililitra dwóch molowych chlorków cyny w czterech molowych kwasach solnych. Dobrze wymieszaj mieszaninę za pomocą małego mieszadła. Uzyskaj widmo UVVIS mieszaniny próbek od 700 do 350 nanometrów i wykonaj odejmowanie tła.

Oznaczyć stężenie platyny w próbce metodą dodawania wzorca przy użyciu roztworu wzorcowego platyny o stężeniu 1000 ppm. Aby rozpocząć przygotowywanie tuszu katalizatora, wymieszaj 6,3 miligrama 50% wagowo platyny na proszku katalizatora węglowego z sześcioma mililitrami wody dejonizowanej. Połącz tę mieszaninę z dwoma mililitrami alkoholu izopropylowego.

Dodaj około 10 mikrolitrów jednego molowego wodorotlenku potasu, aby dostosować pH atramentu do około 10. Sonizować mieszaninę atramentu w zimnej kąpieli ultradźwiękowej przez 15 minut. Po zakończeniu sprawdź pH atramentu.

Rozcieńczyć tusz katalizatora 50-krotnie mieszaniną alkoholu izopropylowego i wody dejonizowanej od jednego do trzech objętości. W razie potrzeby użyj kwasu lub zasady, aby dostosować pH z powrotem do 10. Zmierzyć potencjał zeta próbki tuszu katalizatora za pomocą elektroforetycznego rozpraszania światła.

Zmierz rozmiary agregatów za pomocą dynamicznego rozpraszania światła. Następnie wypoleruj pięciomilimetrową szklistą elektrodę węglową do lustrzanego wykończenia za pomocą kolejno past z tlenku glinu o grubości 0,3 mikrometra i 05 mikrometrów. Wyczyść elektrodę przez sonikację w wodzie dejonizowanej po każdym etapie polerowania.

Osuszyć czystą, wypolerowaną elektrodę argonem. Następnie przeprowadź przewód argonu gazowego przez bełkotkę zawierającą mieszaninę alkoholu izopropylowego i wody dejonizowanej o objętości 17 do 3. Odpipetować pięć mikrolitrów tuszu katalizatora na wypolerowaną elektrodę, aby uzyskać platynowe obciążenie 10 mikrogramów platyny na centymetr kwadratowy.

Powoli osusz tusz strumieniem argonu zwilżonego mieszaniną alkoholu izopropylowego i wody dejonizowanej. Uzyskanie jednorodnego cienkiego filmu katalizatora na szklistej elektrodzie węglowej jest niezwykle ważne. Zachęcamy wszystkich do poświęcenia czasu na wypróbowanie różnych warunków i procedur, aby dowiedzieć się, co jest dla Ciebie najlepsze.

Gdy platyna na folii katalizatora węglowego wyschnie, użyj kamery CCD, aby sprawdzić, czy folia równomiernie pokrywa szklistą powierzchnię elektrody węglowej. Aby rozpocząć konfigurację do pomiaru elektrochemicznego, zmontuj czyste, trzykomorowe szklane lub elektrochemiczne ogniwo z politetrafluoroetylenu. Podłączyć pokrytą katalizatorem szklistą elektrodę węglową z rotatorem elektrod.

Napełnij ogniwo elektrochemiczne 0,1 molowym kwasem nadchlorowym na elektrolicie. Umieść elektrodę dyskową z węgla szklistego pokrytą katalizatorem w jednej komorze ogniwa elektrochemicznego jako elektrodę roboczą. Umieść siatkę platynową i uwięzioną elektrodę wodorową lub kalomelową wyposażoną w kapilę Luggina w pozostałych dwóch komorach jako odpowiednio elektrody przeciwprądowe i referencyjne.

Podłącz elektrody do potencjostatu. Zmierz rezystancję w roztworze elektrolitu między elektrodą roboczą a kapilarą Luggina. Skonfiguruj potencjostat tak, aby kompensować ten opór, korzystając ze schematu analogowego dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Po skalibrowaniu potencjału elektrody referencyjnej w stosunku do odwracalnego potencjału elektrody wodorowej i oczyszczeniu katalizatora, należy uzyskać cykliczny woltammogram w elektrolicie nasyconym argonem. Następnie przepłucz elektrolit gazowym tlenem przez 10 minut. Rozpocznij obracanie szklistej elektrody węglowej z prędkością 1600 obr./min.

Zapisz cykliczny woltammogram z potencjalnym przemiataniem między 05 a 1,10 V w porównaniu z odwracalną elektrodą wodorową przy 05 woltach na sekundę. Następnie przytrzymaj elektrodę roboczą na poziomie 05 woltów. Oczyszczaj elektrolit gazowym tlenkiem węgla przez pięć minut, a następnie argonem przez 10 minut.

Następnie przemiataj potencjał od 05 woltów do 1,10 woltów przy 05 woltach na sekundę. Po zakończeniu woltammogramu usuwania tlenku węgla zwilż kawałek tkanki laboratoryjnej wodą dejonizowaną. Dociśnij szklistą elektrodę węglową do mokrego papieru, aby przenieść film katalizatora.

Sfotografuj film katalizatora po transferze. Przeniesienie badanej folii katalizatora na mokry papier to łatwy sposób na sprawdzenie, czy folia pozostała nienaruszona podczas pomiaru. Dobrze zdyspergowaną platynę na proszku katalizatora węglowego przygotowano przy użyciu dwóch nanometrowych cząstek platyny metalicznej ze stabilnej zawiesiny koloidalnej.

Gdy zastosowano mniej stabilne zawiesiny, takie jak te o niższym stężeniu wodorotlenku sodu, na nośniku węglowym wystąpiła znaczna aglomeracja nanocząstek platyny. Suszenie platyny na tuszu katalizatora węglowego za pomocą strumienia nawilżonego argonu było niezbędne do uzyskania jednorodnej cienkiej warstwy na elektrodzie. Efekt pierścienia kawy zaobserwowano, gdy atrament wysychał w otaczającym powietrzu, a katalizator aglomerował się wokół zewnętrznej strony elektrody.

Jednorodność cienkiej warstwy została dodatkowo dostrojona poprzez dostosowanie warunków nawilżania. Wyższe pH tuszu katalitycznego poprawiło zarówno stabilność roztworu atramentu katalitycznego, jak i jednorodność cienkiej warstwy. Czyszczenie katalizatora cienkowarstwowego poprzez cykliczne przełączanie potencjału elektrody w nasyconym argonem kwasie nadchlorowym było ważne dla uzyskania dobrze zdefiniowanych pików podczas pomiarów.

Woltamogram liniowy z przemiataniem w nasyconym tlenem kwasie nadchlorowym był bardzo czuły na jakość filmu katalizatora. LSV jednorodnej folii wykazywało ograniczoną dyfuzją tlenu gęstość prądu wynoszącą około 6 miliamperów na centymetr kwadratowy, z ostrym ramieniem na krzywej LSV. Niejednorodny film wykazał mniejszą gęstość prądu i szersze ramię.

Po opanowaniu, charakterystykę syntezy i elektrochemiczne cienkowarstwowe badanie RDE standardowego katalizatora ogniwa paliwowego można wykonać w ciągu dwóch dni, jeśli zostanie przeprowadzone prawidłowo. Nie zapominaj, że praca ze stężonym kwasem i tlenkiem węgla może być bardzo niebezpieczna. Zawsze noś fartuch laboratoryjny, okulary i rękawice.

Podczas wykonywania tych eksperymentów czujniki gazu tlenku węgla i wodoru muszą być zawsze aktywne w laboratorium. Podejmując tę procedurę, pamiętaj, że czystość jest kluczowa dla uzyskania wiarygodnych wyników pomiarów elektrochemicznych. Zalecamy przygotowanie katalizatora i wykonanie badań elektrochemicznych w dwóch oddzielnych laboratoriach.

Oprócz tej procedury można przeprowadzić metody charakteryzacji katalizatorów, takie jak testy degradacji, rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem lub spektroskopia absorpcji promieniowania rentgenowskiego in situ, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące funkcjonalności katalizatora. Po opracowaniu, technika cienkowarstwowego RDE toruje drogę naukowcom zajmującym się elektrokatalizą do opracowania ulepszonych elektrokatalizatorów do trwałej konwersji energii. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zrobić katalizator wzorcowy, jak przetestować katalizator ogniwa paliwowego za pomocą naszej techniki cienkowarstwowej RDE i jakich pułapek należy unikać.