Na preparação e teste de catalisadores de célula de combustível usando o método de eletrodo rotativo disco filme fino

O objetivo geral deste procedimento é preparar e testar catalisadores de células de combustível com boa reprodutibilidade. As medições reproduzíveis de eletrodos de disco rotativo de filme fino de um catalisador padrão podem servir como referência para novos catalisadores. O teste de catalisador de célula de combustível com o método RDE de filme fino requer experiência.

Este tutorial irá ajudá-lo a evitar as armadilhas experimentais típicas deste método. A principal vantagem deste protocolo é que ele inclui a preparação de catalisadores de referência. Este protocolo fornece atividades de catalisador de carbono de platina com base na área de superfície e massa de platina.

Lembre-se de sempre determinar o teor real de platina do seu catalisador antes de testar. Para iniciar o procedimento, coloque em um recipiente de reação de microondas quatro mililitros de uma solução molar de hidróxido de sódio a 0,4 em etilenoglicol e quatro mililitros de uma solução de ácido cloroplatínico a 40 milimolares em etilenoglicol. Equipe o recipiente com uma barra de agitação.

Aqueça a mistura em um reator de micro-ondas por três minutos a 160 graus Celsius, mexendo suavemente. Transfira 7,3 mililitros da suspensão de nanopartículas de platina coloidal resultante para um tubo de centrífuga. Precipite as nanopartículas de platina de dois nanômetros com 30 mililitros de ácido clorídrico de um molar.

Centrifugar a mistura a 2 900 vezes g durante cinco minutos e rejeitar o sobrenadante. Repita a centrifugação em ácido clorídrico e remova o sobrenadante mais duas vezes para terminar de lavar as nanopartículas. Em seguida, redistribua as nanopartículas de platina em sete mililitros de acetona agitando manualmente o recipiente.

Dispersar 27,5 miligramas de negro de fumo em um mililitro de acetona por sonicação. Juntar as dispersões num balão de fundo redondo. Use um evaporador rotativo ou linha Schlenk para remover completamente a acetona.

Seque a platina resultante em pó de catalisador de carbono a 120 graus Celsius durante a noite. Em seguida, encha um banho ultrassônico com água fria. Adicione 20 mililitros de água deionizada à platina seca no pó do catalisador de carbono e sonice a mistura no banho ultrassônico frio por três minutos.

Recolha o pó em papel de filtro com poros de quatro a sete micrômetros. Lave o pó com 200 mililitros de água deionizada. Em seguida, seque o pó durante a noite em um forno a vácuo a 100 a 120 graus Celsius e 10 quilopascais para obter 50% em peso de platina no pó do catalisador de carbono.

Antes da caracterização, secar a platina em pó de catalisador de carbono durante a noite no forno a vácuo a 80 graus Celsius e 10 quilopascais. Pesar o pó de catalisador seco num cadinho cerâmico com tampa. Coloque o cadinho coberto em uma mufla.

Aqueça o pó a 900 graus Celsius por 30 minutos no ar para queimar o suporte de carbono. Em seguida, desligue o forno e deixe o pó esfriar até a temperatura ambiente no forno durante a noite. Em seguida, adicione quatro mililitros de água régia ao pó.

Aqueça a mistura em uma placa quente a 80 graus Celsius por duas horas para digerir a platina. Em seguida, dilua a solução a 10 mililitros com água deionizada. Misture 0,75 mililitros de ácido clorídrico de dois molares com 0,25 mililitros de cloreto de estanho (II) de um molar preparado em ácido clorídrico de quatro molares em uma cubeta de quartzo e adicione um mililitro da amostra de água régia.

Use uma mistura de 1,75 mililitros de ácido clorídrico de dois molares e 0,25 mililitros de cloreto de estanho de dois molares em ácido clorídrico de quatro molares como fundo de solvente. Mexa bem a mistura com uma pequena barra de mexer. Adquira um espectro de visibilidade UV da mistura de amostra de 700 a 350 nanômetros e execute a subtração de fundo.

Determinar a concentração de platina na amostra pelo método de adição padrão utilizando uma solução-padrão de platina a 1000 ppm. Para começar a preparar a tinta do catalisador, misture 6,3 miligramas de platina a 50% em peso em pó de catalisador de carbono com seis mililitros de água deionizada. Combine esta mistura com dois mililitros de álcool isopropílico.

Adicione cerca de 10 microlitros de hidróxido de potássio molar para ajustar o pH da tinta para aproximadamente 10. Sonicar a mistura de tinta em um banho ultrassônico frio por 15 minutos. Verifique o pH da tinta quando terminar.

Dilua a tinta do catalisador 50 vezes com uma mistura de um a três por volume de álcool isopropílico e água deionizada. Use ácido ou base conforme necessário para ajustar o pH de volta para 10. Meça o potencial zeta da amostra de tinta do catalisador usando espalhamento de luz eletroforético.

Meça os tamanhos dos agregados com espalhamento dinâmico de luz. Em seguida, polir um eletrodo de disco de carbono vítreo de cinco milímetros para um acabamento espelhado com pastas de alumina de 0,3 micrômetro e 05 micrômetros em sequência. Limpe o eletrodo por sonicação em água deionizada após cada etapa de polimento.

Seque o eletrodo limpo e polido com gás argônio. Em seguida, passe uma linha de gás argônio por um borbulhador contendo uma mistura de 17 a três por volume de álcool isopropílico e água deionizada. Pipete cinco microlitros da tinta do catalisador no eletrodo polido para obter uma carga de platina de 10 microgramas de platina por centímetro quadrado.

Seque lentamente a tinta com um jato de gás argônio umidificado com a mistura de álcool isopropílico e água deionizada. A obtenção de um filme de catalisador fino homogêneo no eletrodo de carbono vítreo é extremamente importante. Incentivamos todos a passar algum tempo experimentando diferentes condições e procedimentos para descobrir o que funciona melhor para você.

Quando a platina no filme do catalisador de carbono estiver seca, use uma câmera CCD para verificar se o filme cobre uniformemente a superfície do eletrodo de carbono vítreo. Para iniciar a configuração da medição eletroquímica, monte uma célula eletroquímica limpa de vidro ou politetrafluoretileno de três compartimentos. Conecte um eletrodo de disco de carbono vítreo revestido com catalisador a um rotador de eletrodo.

Encha a célula eletroquímica com ácido perclórico 0,1 molar no eletrólito. Coloque o eletrodo de disco de carbono vítreo revestido com catalisador em um compartimento da célula eletroquímica como eletrodo de trabalho. Coloque uma malha de platina e um eletrodo de hidrogênio ou calomelano saturado preso com um capilar de Luggin nos outros dois compartimentos como contra-eletrodos e eletrodos de referência, respectivamente.

Conecte os eletrodos a um potenciostato. Meça a resistência na solução eletrolítica entre o eletrodo de trabalho e o capilar de Luggin. Configure o potenciostato para compensar essa resistência usando o esquema de feedback positivo analógico.

Depois de calibrar o potencial do eletrodo de referência contra o potencial reversível do eletrodo de hidrogênio e limpar o catalisador, adquira um voltamograma cíclico em eletrólito saturado de argônio. Em seguida, purgue o eletrólito com gás oxigênio por 10 minutos. Comece a girar o eletrodo de carbono vítreo a 1600 rpm.

Registre um voltamograma cíclico com a varredura potencial entre 05 e 1,10 volts versus eletrodo de hidrogênio reversível a 05 volts por segundo. Em seguida, segure o eletrodo de trabalho em 05 volts. Purgue o eletrólito com gás monóxido de carbono por cinco minutos, seguido de gás argônio por 10 minutos.

Em seguida, varra o potencial de 05 volts para 1,10 volts a 05 volts por segundo. Após o término do voltamograma de remoção de monóxido de carbono, molhe um pedaço de tecido de laboratório com água deionizada. Pressione o eletrodo de carbono vítreo no papel úmido para transferir o filme do catalisador.

Fotografe o filme do catalisador após a transferência. Transferir o filme de catalisador testado para o papel úmido é uma maneira fácil de ver se o filme permaneceu intacto durante a medição. A platina bem dispersa em pó de catalisador de carbono foi preparada usando partículas de metal de platina de dois nanômetros de uma suspensão coloidal estável.

Quando suspensões menos estáveis foram usadas, como aquelas com menor concentração de hidróxido de sódio, ocorreu aglomeração significativa de nanopartículas de platina no suporte de carbono. A secagem da platina na tinta do catalisador de carbono com um fluxo de gás argônio umidificado foi essencial para obter uma película fina homogênea no eletrodo. O efeito do anel de café foi observado quando a tinta secou no ar ambiente, com o catalisador se aglomerando ao redor da parte externa do eletrodo.

A uniformidade do filme fino foi ajustada ainda mais ajustando as condições de umidificação. Um pH mais alto da tinta do catalisador melhorou a estabilidade da solução da tinta do catalisador e a uniformidade do filme fino. A limpeza do catalisador de filme fino por meio do ciclo do potencial do eletrodo em ácido perclórico saturado de argônio foi importante para a obtenção de picos bem definidos durante as medições.

O voltamograma de varredura linear em ácido perclórico saturado de oxigênio foi altamente sensível à qualidade do filme do catalisador. O LSV de um filme homogêneo mostrou uma densidade de corrente limitada por difusão de oxigênio de cerca de 6 miliamperes por centímetro quadrado, com um ombro afiado na curva LSV. Um filme não homogêneo mostrou uma densidade de corrente menor e um acostamento mais largo.

Uma vez dominado, a caracterização da síntese e o teste RDE de filme fino eletroquímico de um catalisador de célula de combustível padrão podem ser feitos em dois dias, se realizados corretamente. Não se esqueça de que trabalhar com ácido concentrado e monóxido de carbono pode ser extremamente perigoso. Sempre use jaleco, óculos e luvas.

Os sensores de gás para monóxido de carbono e hidrogênio devem estar sempre ativos em seu laboratório durante a realização desses experimentos. Ao tentar este procedimento, lembre-se, a limpeza é crucial para obter resultados confiáveis em medições eletroquímicas. Recomendamos preparar o catalisador e realizar os testes eletroquímicos em dois laboratórios separados.

Além desse procedimento, métodos de caracterização de catalisadores, como testes de degradação, espalhamento de raios X a baixo ângulo ou espectroscopia de absorção de raios X in situ, podem ser realizados para responder a perguntas adicionais sobre a funcionalidade do seu catalisador. Após seu desenvolvimento, a técnica RDE de filme fino abre caminho para que os pesquisadores no campo da eletrocatálise desenvolvam eletrocatalisadores aprimorados para conversão sustentada de energia. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como fazer um catalisador de referência, como testar um catalisador de célula de combustível com nossa técnica RDE de filme fino e quais armadilhas evitar.