Métodos simples para a preparação de eletrodos a granel de metal não nobre para aplicações eletrocatalíticas

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar uma preparação simples e direta no método de teste eletroquímico para eletrodos, baseado em um catalisador condutor de estado sólido como alternativa a uma preparação convencional de revestimento por gota para a reação de evolução do hidrogênio. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da preparação de materiais de eletrodos. A principal vantagem dessa técnica é que ela fornece um caminho fácil para eletrodos altamente robustos e de alto desempenho sem a necessidade de qualquer nanoestruturação artificial.

Tivemos a ideia desse método pela primeira vez quando sintetizamos o bipedalita, aprimoramos os problemas de estabilidade e reprodutibilidade na preparação de eletrodos usando métodos convencionais de revestimento por gota. A demonstração visual dessa técnica é crítica, pois os parâmetros do processo podem influenciar fortemente o desempenho e a estabilidade do catalisador e do eletrodo. Demonstrando este procedimento, estará Mathias Smialkowski, um aluno do nosso laboratório.

Para iniciar este procedimento, misture bem ferro, níquel e enxofre com um almofariz e pilão. Transfira a mistura para uma ampola de sílica de 10 milímetros de diâmetro. Em seguida, evacue a ampola durante a noite a 10 a menos dois mili bar.

Depois de selar a ampola, coloque-a em um forno tubular. Aumente a temperatura do forno da temperatura ambiente para 700 graus Celsius a cinco graus Celsius por minuto, seguido de uma etapa isotérmica por três horas. Em seguida, aumente a temperatura do forno para 1.100 graus Celsius em 30 minutos, seguido por uma etapa isotérmica por 10 horas.

Em seguida, resfrie lentamente a amostra à temperatura ambiente, desligando o forno. Depois de retirar a ampola do forno, quebre-a para coletar o produto sólido. Moa o material a granel de pentlandita para obter um pó fino.

Transfira aproximadamente 50 miligramas do pó para uma ferramenta de compressão de três milímetros de diâmetro e pressione o material com a força máxima de peso. Em seguida, remova o pellet do molde, usando um suporte distanciador. Em seguida, aplique uma cola de epóxi de prata de dois componentes na haste de latão, na cavidade de um invólucro de Teflon.

Coloque o pellet no invólucro de Teflon, de modo que o lado plano do pellet fique para fora aproximadamente um milímetro. Remova quaisquer detritos no invólucro de Teflon com um lenço de papel. Em seguida, verifique o contato entre o fio de latão e o pellet de pentlandita com o voltímetro, para garantir a condutividade adequada.

Após 12 horas de cura da cola de dois componentes a 60 graus Celsius, resfrie o eletrodo à temperatura ambiente. Polir o eletrodo resfriado com uma série de lixas de qualidade fina, para obter uma superfície plana e nivelada dentro do invólucro de Teflon. Em seguida, limpe a superfície com água deionizada e deixe secar em condições ambientais.

Conecte todos os três eletrodos com os fios de um potenciostato. Em seguida, adicione 25 mililitros de eletrólito à célula eletroquímica e ajuste os eletrodos para garantir que estejam totalmente imersos na solução. Em seguida, purgue a solução com argônio por 30 minutos.

Após a purga, ligue o potenciostato e a agitação magnética. Realize um experimento de voltametria cíclica, definindo primeiro a faixa de potencial de 0,2 a menos 0,2 volts, a taxa de varredura para 100 milivolts por segundo e o número de ciclos para 20. Em seguida, inicie o processo de ciclagem, aguardando até que o último ciclo termine.

Se os últimos três a quatro ciclos obtidos coincidirem, a limpeza do eletrodo eletroquímico é concluída. Em caso de divergência, adicione mais ciclos até que curvas estáveis sejam obtidas. Antes de iniciar o experimento de voltametria de varredura linear, determine o valor de compensação da resistência interna para a configuração eletroquímica.

Em seguida, selecione o programa para experimentos de voltametria de varredura linear e defina a faixa de potencial de 0,2 a menos 0,6 volts e a taxa de varredura para cinco milivolts por segundo, incluindo a queda de resistência interna no experimento. Em seguida, inicie o experimento. Repita os experimentos de varredura linear, para garantir a reprodutibilidade.

Agora, execute um experimento de coulometria de potencial controlado, definindo primeiro o potencial para menos 6,6 volts com um tempo de experimento de pelo menos 20 horas. Coletar simultaneamente amostras de gás, com a seringa estanque ao gás, do espaço da cabeça da célula selada, para receptum a cada hora por pelo menos quatro horas do experimento. Injetar as amostras num instrumento JC para quantificação e determinar a quantidade de hidrogénio produzida, utilizando uma curva de calibração, registada no instrumento.

Selecione uma faixa de potencial entre 0,1 e zero volts no experimento de voltametria cíclica e defina a taxa de varredura para 10 milivolts por segundo. Use a correção de queda de resistência interna conforme demonstrado e defina o número de ciclos para o experimento como cinco. Repita os passos anteriores, para tranças de varredura de 20, 30, 40, 50 e 60 milivolts por segundo.

A partir das curvas de voltametria cíclica obtidas, escolha o quinto ciclo para uma interpretação mais aprofundada. Determine as diferenças de densidade da corrente de carga e plote esses valores em função da trança de varredura. A síntese de pentlandita possuindo uma estrutura de pentlandita foi confirmada por XRD em pó.

Impurezas de solução sólida de monossulfito foram observadas com aquecimento mais rápido, com uma taxa de aquecimento mais lenta de cinco graus Celsius por minuto, essas impurezas podem ser reduzidas ou eliminadas. A espectroscopia de Mossbauer também confirmou a estrutura de pentlandita e revelou dois sítios de ferro. O DSC revelou duas transições de fase, confirmando a ausência de fases indesejáveis.

Imagens SEM de rocha polida pentlandita e eletrodos de pellets são mostradas aqui. A partir da análise EDX, a proporção entre ferro, níquel e enxofre é consistente com a observação de uma fase pentlandita pura no XRD. Os voltamegramas de varredura linear de ambos os eletrodos são mostrados aqui.

Um eletrodo revestido com gota esfoliada não mostrou melhor desempenho eletrocatalítico. A quantidade de hidrogênio produzida, dependendo do tempo de eletrólise usando um eletrodo de rocha, é comparável a um eletrodo de pellet. A densidade da corrente de carga em função da taxa de varredura mostra diferenças marginais na área de superfície eletroquímica e no número de locais ativos, o que confirma que os eletrodos têm desempenho semelhante.

Um gráfico de nyquist de um eletrodo de rocha revela uma baixa resistência à transferência de carga, que é consistente com a alta condutividade intrínseca do material, os eletrodos de pellets exibem comportamento semelhante. Uma vez dominada, essa técnica pode ser utilizada para vários materiais em um período de tempo muito curto, se executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que o material de interesse precisa ser condutor.

Seguindo este procedimento, fornecerá um protocolo padrão que permite avaliar materiais eletrocatalíticos e comparar adequadamente seus resultados. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter um bom entendimento sobre como preparar eletrodos estáveis a partir de catalisadores a granel sem o uso de pioneiros e como testá-los adequadamente em relação ao desempenho eletrocatalítico.