Простые методы получения неблагородных металлических навалочных электродов для электрокаталитических применений

Общая цель данной процедуры состоит в том, чтобы продемонстрировать простую и понятную подготовку метода электрохимических испытаний электродов на основе проводящего твердотельного катализатора в качестве альтернативы обычному каплевидному покрытию для реакции выделения водорода. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области подготовки электродных материалов. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он обеспечивает легкий путь к высокопрочным и высокоэффективным электродам без необходимости искусственного наноструктурирования.

Впервые идея этого метода пришла нам в голову, когда мы синтезировали проблемы с двуногостью, повышенной стабильностью и воспроизводимостью, препарируя электроды с использованием традиционных методов нанесения капельного покрытия. Визуальная демонстрация этого метода имеет решающее значение, так как параметры процесса могут сильно влиять на производительность и стабильность катализатора и электрода. Демонстрировать эту процедуру будет Матиас Смиалковски, студент нашей лаборатории.

Для начала этой процедуры тщательно перемешайте железо, никель и серу с помощью ступки и пестика. Переложите смесь в ампулу из диоксида кремния диаметром 10 миллиметров. Затем откачайте ампулу на ночь при 10 до минус двух милли бар.

После укупоривания ампулы поместите ее в трубчатую печь. Увеличьте температуру печи с комнатной температуры до 700 градусов Цельсия со скоростью пять градусов Цельсия в минуту, после чего следует изотермический этап в течение трех часов. Затем увеличьте температуру печи до 1,100 градусов Цельсия в течение 30 минут, после чего следует этап изотермы в течение 10 часов.

Затем медленно охладите образец до комнатной температуры, выключив печь. Вынув ампулу из печи, разбейте ее для сбора твердого продукта. Измельчите сыпучий материал пентландита до получения мелкого порошка.

Перенесите примерно 50 миллиграммов порошка в пресс-инструмент диаметром три миллиметра и прижмите материал с максимальной силой веса. Затем выньте лепешку из формы, используя дистанционный держатель. После этого нанесите двухкомпонентный клей на основе эпоксида серебра на латунный стержень, в полость тефлонового корпуса.

Поместите дробину в тефлоновую оболочку так, чтобы плоская сторона дробинки торчала примерно на один миллиметр. Удалите мусор с тефлонового корпуса бумажной салфеткой. Затем проверьте контакт латунной проволоки и пентландитовой гранулы с вольтметром, чтобы убедиться в правильной проводимости.

После 12 часов отверждения двухкомпонентного клея при температуре 60 градусов Цельсия охладите электрод до комнатной температуры. Отполируйте охлаждаемый электрод с помощью мелкодисперсной наждачной бумаги, чтобы получить блестящую плоскую поверхность внутри тефлонового корпуса. Затем очистите поверхность деионизированной водой и дайте ей высохнуть в условиях окружающей среды.

Соедините все три электрода проводами потенциостата. Далее добавьте в электрохимическую ячейку 25 миллилитров электролита и отрегулируйте электроды так, чтобы они были полностью погружены в раствор. Затем продуйте раствор аргоном в течение 30 минут.

После продувки включите потенциостат и магнитное перемешивание. Проведите циклический эксперимент по вольтамперометрии, сначала установив диапазон потенциалов от 0,2 до минус 0,2 вольт, частоту сканирования до 100 милливольт в секунду и количество циклов до 20. Далее приступайте к процессу езды на велосипеде, дожидаясь окончания последнего цикла.

Если последние три-четыре полученных цикла совпадают, электрохимическая очистка электродов завершается. В случае расхождения прибавляем больше циклов до тех пор, пока не получатся стабильные кривые. Перед началом эксперимента по вольтамперометрии с линейной разверткой определите значение компенсации внутреннего сопротивления для электрохимической установки.

После этого выберите программу для экспериментов по вольтамперометрии с линейной разверткой и установите диапазон потенциалов от 0,2 до минус 0,6 вольт, а скорость сканирования равна пяти милливольтам в секунду, включая падение внутреннего сопротивления в эксперименте. Затем приступайте к эксперименту. Повторите эксперименты с линейным разверткой, чтобы обеспечить воспроизводимость.

Теперь проведите эксперимент с кулонометрией с контролируемым потенциалом, сначала установив напряжение минус 6,6 вольт с временем эксперимента не менее 20 часов. Одновременно отбирайте пробы газа с помощью газонепроницаемого шприца из головного пространства герметичной камеры в приемник каждый час в течение не менее четырех часов эксперимента. Введите образцы в прибор JC для количественной оценки и определите количество производимого водорода с помощью калибровочной кривой, записанной на приборе.

Выберите диапазон потенциалов от 0,1 до нуля вольт в эксперименте с циклической вольтамперометрией и установите частоту сканирования равной 10 мВ в секунду. Используйте коррекцию падения внутреннего сопротивления, как показано на рисунке, и установите количество циклов для эксперимента равным пяти. Повторите предыдущие шаги, для сканирования оплеток 20, 30, 40, 50 и 60 милливольт в секунду.

Из полученных кривых циклической вольтамперометрии выберите пятый цикл для дальнейшей интерпретации. Определите разницу в плотности зарядного тока и отобразите эти значения в зависимости от оплетки сканирования. Синтез пентландита, обладающего пентландитовой структурой, был подтвержден порошковой дифракционной терапией.

Примеси моносульфита в твердом растворе наблюдались при более быстром нагреве, при более медленной скорости нагрева на пять градусов Цельсия в минуту, эти примеси могут быть уменьшены или устранены. Моссбауэровская спектроскопия также подтвердила структуру пентландита и выявила два участка железа. ДСК выявила два фазовых перехода, подтвердив отсутствие нежелательных фаз.

Здесь изображены СЭМ-изображения электродов из полированной породы пентландитов и пеллет. Из анализа EDX следует, что соотношение между железом, никелем и серой согласуется с наблюдением чистой пентландитовой фазы в дифрактометре. Здесь показаны вольтамперограммы линейной развертки обоих электродов.

Электрод с отслоившимся каплевидным покрытием не показал улучшенных электрокаталитических характеристик. Количество получаемого водорода в зависимости от времени электролиза с помощью скального электрода, сравнимо с пеллетным электродом. Плотность зарядного тока в зависимости от скорости сканирования показывает незначительные различия в площади электрохимической поверхности и количестве активных участков, что подтверждает, что электроды имеют схожие характеристики.

График Найквиста для каменного электрода показывает низкое сопротивление переносу заряда, что согласуется с высокой внутренней проводимостью материала, пеллетные электроды демонстрируют аналогичное поведение. После освоения эта техника может быть использована для нескольких материалов в течение очень короткого промежутка времени, если она выполнена правильно. При попытке выполнить эту процедуру важно помнить, что интересующий материал должен быть проводящим.

Следуя этой процедуре, вы получите стандартный протокол, который позволит вам оценить электрокаталитические материалы и правильно сравнить ваши результаты. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как получить стабильные электроды из объемных катализаторов без использования первопроходцев и как правильно проверить их с точки зрения электрокаталитических характеристик.