Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

طرق بسيطة لإعداد المعادن غير النبيلة السائبة الأقطاب لتطبيقات إليكتروكاتاليتيك

Published: June 21, 2017 doi: 10.3791/56087
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 2, 2, 2, 1
1Faculty of Chemistry and Biochemistry, Inorganic Chemistry I, Ruhr-University Bochum, 2Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology, UMSICHT

Summary

طريقة إعداد فاسيل من الأقطاب باستخدام المواد السائبة الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 . يوفر هذا الأسلوب تقنية بديلة لتصنيع القطب التقليدية ويصف المتطلبات الأساسية للمواد القطب غير تقليدية بما في ذلك طريقة الاختبار إليكتروكاتاليتيك مباشرة.

Abstract

تم تصنيع مادة بينتلانديت الصخور مع تكوين الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 عن طريق التوليف درجة حرارة عالية من العناصر. وقد تميز هيكل وتكوين المادة عن طريق حيود الأشعة السينية مسحوق (بسرد)، الطيفي موسبور (مب)، المجهر الإلكتروني الماسح (سيم)، قياس المسارات التفاضلية (دسك) والطيف تشتت الأشعة السينية (إدكس). يتم عرض اثنين من أساليب إعداد الأقطاب السائبة بنتلانديت. في النهج الأول يتم الاتصال مباشرة قطعة من الصخور بنتلانديت الاصطناعية مباشرة عن طريق الطويق الأسلاك. النهج الثاني يستخدم الكريات بينتلانديت، الضغط من مسحوق ناعم الأرض، وهو يجمد في غلاف تفلون. كل من الأقطاب الكهربائية، في حين يجري إعدادها من قبل طريقة خالية من المضافة، تكشف عن متانة عالية خلال التحويلات إليكتروكاتاليتيك بالمقارنة مع أساليب طلاء قطرة المشتركة. نحن هنا تسليط الضوء على أداء مذهل من هذه الأقطاب لإنجاز هيدروجين تطور رد الفعل (هر) وتقديم طريقة موحدة لتقييم أداء إليكتروكاتاليتيك بواسطة الكهروكيميائية والغاز طرق الكروماتوغرافي. وعلاوة على ذلك، فإننا الإبلاغ عن اختبارات الاستقرار عن طريق أساليب بوتنتيستاتيك في أوفيربوتنتيال من 0.6 V لاستكشاف القيود المادية من الأقطاب الكهربائية خلال التحليل الكهربائي تحت الظروف الصناعية ذات الصلة.

Introduction

إن تخزين مصادر الطاقة المتجددة المتقلبة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح له أهمية اجتماعية كبيرة بسبب الخبو التدريجي للوقود الأحفوري والحاجة اللاحقة إلى مصادر الطاقة البديلة. وفي هذا الصدد، يعتبر الهيدروجين مرشحا مستداما واعدة لحلول تخزين الطاقة الجزيئية بسبب عملية احتراق نظيفة. 1 بالإضافة إلى ذلك يمكن استخدام الهيدروجين كوقود أو كمواد بدء للوقود الأكثر تعقيدا، مثل الميثانول. والطريقة المفضلة لتوليف سهل الهيدروجين باستخدام موارد محايدة من الكربون هو الحد الكهروكيميائي للمياه باستخدام طاقات مستدامة.

حاليا، من المعروف أن البلاتين وسبائكه هي إليكتروكاتاليستس الأكثر فعالية لتفاعل رد الفعل الهيدروجين (هر) تظهر انخفاض القدرة الزائدة، ومعدل رد فعل سريع وتشغيل بكثافة الحالية العالية. 2 ومع ذلك، نظرا لارتفاع سعره وانخفاض وفرة الطبيعية، آلمطلوب محفزات معدنية غير نبيلة ثلاثية. ومن بين الكم الهائل من المحفزات المعدنية الانتقالية غير الثمينة البديلة، 3 خاصة ديكالكوجينيدس المعادن الانتقالية (مكس 2 ؛ M = المعادن؛ X = S، سي) وقد تبين أن تمتلك النشاط هر عالية. 4 ، 5 ، 6 ، 7 في هذا الصدد، قدمنا ​​مؤخرا في 4.5 ني 4.5 S 8 باعتبارها دائمة للغاية ونشطة "الصخور" هر إليكتروكاتاليست. هذه المادة وفيرة طبيعيا مستقرة في ظل الظروف الحمضية ويظهر الموصلية الجوهرية عالية مع سطح نشط الحفاز محددة جيدا. 8

في حين تم الإبلاغ عن العديد من المواد ذات الأنشطة هر عالية، وغالبا ما يرافق إعداد الكهربائي مع مشاكل متعددة، على سبيل المثال استنساخ واستقرار مرضية (> 24 ساعة). Additionally، منذ التوصيلية الجوهرية من المواد الحفازة على أساس انتقال المعادن في الجزء الأكبر عادة ما تكون عالية، وإعداد الكهربائي يتطلب محفزات نانو منظم للسماح لنقل الإلكترون كفاءة. ثم يتم تحويل هذه المحفزات إلى حفاز حفاز يحتوي على مواد رابطة مثل نفيون والمحفز. بعد ذلك، الحبر هو المغلفة إسقاط على سطح القطب خامل ( مثل الكربون الزجاجي). في حين كونها مستقرة بشكل معقول في الكثافة الحالية المنخفضة زيادة مقاومة الاتصال والتصاق متواضع من حافزا على دعم القطب عادة ما يلاحظ في كثافة عالية الحالية. 9 ومن هنا، فإن الحاجة إلى أساليب إعداد أكثر كفاية والمواد القطب هو واضح.

يقدم هذا البروتوكول إجراء إعداد رواية لأقطاب دائمة للغاية وفعالة من حيث التكلفة باستخدام المواد السائبة. الشرط المسبق لمثل هذا القطب هو مقاومة المواد جوهرية منخفضة. في 4.5 ني 4.5 S 8 فوليملأ هذا المعيار ويمكن الحصول عليها من العناصر عن طريق التوليف بسيط ارتفاع درجة الحرارة في أمبولات السيليكا مختومة. وتتميز المادة التي تم الحصول عليها فيما يتعلق بهيكلها، التشكل وتكوينها باستخدام مسحوق الأشعة السينية ديفراكتوميتري (بسرد)، التفاضلية المسح الكالوري (دسك) والمجهر الإلكتروني المسح (سيم) والطاقة تشتت الطيفي الأشعة السينية (إدكس). تتم معالجة المواد المصنعة لتحمل نوعين من الأقطاب السائبة، وهما "الصخور" و "بيليه" أقطاب. ثم يتم التحقيق في أداء كل من أنواع القطب باستخدام الاختبارات الكهروكيميائية القياسية و H 2 الكمي يؤديها عن طريق الكروماتوغرافيا الغاز (غ). يتم عرض مقارنة بين أداء كلا النوعين من الأقطاب بالمقارنة مع التجارب التي تستخدم عادة طلاء قطرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ارتفاع درجة الحرارة توليف الحديد 4.5 ني 4.5 S 8

ملاحظة: يتم وصف الإجراء الموصوف هنا لتوليف الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 من الأدب. 8 ، 10 التطبيق الصارم من سلالم التدفئة المبلغ عنها هي ذات أهمية عالية لمنع تشكيل الشوائب المرحلة والعيوب من أمبولة السيليكا.

  1. مزيج الحديد (1.66 غرام، 29.8 ملمول) والنيكل (1.75 جم، 29.8 ملمول) والكبريت (1.70 جم، 53.1 ملمول) بدقة في هاون ونقل الخليط إلى أمبولة السيليكا (قطرها 10 ملم).
  2. إخلاء أمبولة بين عشية وضحاها في 10 -2 ملي بار.
  3. ختم أمبولة ووضعه في فرن أنبوبي.
  4. زيادة درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة (رت) إلى 700 درجة مئوية في 5 درجات مئوية / دقيقة تليها خطوة متساوية الحرارة لمدة 3 ساعات.
  5. زيادة درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية في غضون 30 دقيقة و kإيب إيسوثرم لمدة 10 ساعة.
  6. تبرد ببطء العينة إلى رت عن طريق إيقاف الفرن. الكراك أمبولة لجمع المنتج الصلبة. تأكد من فصل في 4.5 ني 4.5 S 8 تماما من شظايا زجاج السيليكا.

2. الوصف المادي

  1. جبل 10 مم × 5 مم × 3 مم قطعة من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 الصخور على صاحب العينة ووضعها في غرفة فراغ صك سيم. تسجيل الصور سيم في 650X و 6،500X التكبير في 20 كيلو فولت. في نفس الوقت، استخدم نفس العينة لتحليل إدكس عند 4.4 كيلو فولت.
  2. لجمع البيانات بسرد، وتطبيق مسحوق الأرض بدقة من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 وتثبيته على رقاقة السيليكون غير متبلور باستخدام الشحوم السيليكون. جبل الرقاقة على حامل العينة وجمع البيانات في وضع المسح المستمر من 10-50 درجة بمعدل مسح 0.03 درجة في 5 ثانية باستخدام الإشعاع النحاس- Kα (λ = 1.5418 Å). لتحليل موسبور مسحوق ناعم الأرض يستخدم وتوضع في كوب بوليكسيميثيلين (بوم). سجل حقل الصفر موسبور أطياف عند 25 درجة مئوية باستخدام مصدر الإشعاع كو 57 في مصفوفة ر.
  3. لتحليل دسك، يتم وضع مسحوق الأرض بدقة في تاريد α-آل 2 O 3 بوتقة. أداء قياسات دسك في نطاق من رت إلى 1000 درجة مئوية تسجيل التدفئة والتبريد منحنى بمعدل 10 درجة مئوية / دقيقة. إجراء التجربة تحت تدفق النيتروجين عالية النقاء.

3. إعداد "الصخور" أقطاب

  1. لحام الأسلاك النحاسية إلى الطويق الأسلاك.
  2. قطع الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 المواد السائبة إلى قطع أصغر (حوالي 5 مم × 5 مم × 5 مم).
  3. وضع قطعة صغيرة من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 في الطويق بطريقة تقريبا. 2 مم من العصي المواد للخروج من الطويق.
  4. عباءة الطويق والأسلاك النحاسية مع100 مم من أنابيب تفلون.
  5. ختم غيض من القطب مع اثنين من مكون الايبوكسيد الغراء وتجفيف القطب بين عشية وضحاها تحت الظروف المحيطة.
  6. طحن قبالة طرف حتى سطح لامع (النهاية المعدنية) من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 يتعرض. مزيد من البولندية مع غرامة الصف ورقة الرمل (20، 14، 3 و 1 ميكرون حصى) للحصول على سطح أملس.
  7. نظف السطح بالماء منزوع الأيونات واتركه يجف على الهواء.

4. إعداد "بيليه" أقطاب

ملاحظة: تم استخدام أغلفة تفلون بنيت خصيصا مع قضيب النحاس كما الاتصال لأقطاب "بيليه" (قطر 3 ملم).

  1. طحن 50 ملغ من المواد للحصول على مسحوق ناعم من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 المواد.
  2. ملء مسحوق الأرض بدقة إلى أداة ضغط (3 ملم في القطر) واضغط على المواد مع أقصى قوة الوزن 800 كجم / سم 2 .
  3. إزالة بيلوالسماح من العفن باستخدام حامل المسافة.
  4. تطبيق اثنين من مكون الفضة الايبوكسيد الغراء على قضيب النحاس في تجويف غلاف تفلون. تجنب أي تلوث من غيض من تفلون غلاف.
  5. وضع بيليه في غلاف تفلون. الجانب المسطح من بيليه يجب التمسك ~ 1 مم.
  6. إزالة أي تلوث على غلاف تفلون مع الأنسجة الورقية.
  7. تحقق من الاتصال بين الأسلاك النحاسية والحديد 4.5 ني 4.5 S 8 بيليه مع الفولتميتر لضمان الموصلية المناسبة.
  8. بعد 12 ساعة من علاج الغراء المكون من اثنين في 60 درجة مئوية، يبرد القطب إلى درجة الحرارة المحيطة.
  9. البولندية القطب مع ورقة الرمال (20، 14، 3 و 1 ميكرون حصى) للحصول على سطح مسطح لامعة دافق داخل حالة تفلون.
  10. نظف السطح بالماء منزوع الأيونات واتركه يجف تحت الظروف المحيطة.

5. الكهروكيميائية اختبار الأقطاب الكهربائية

ملاحظة: ذي إكسيريموقد تم إنجاز النمل مع الإعداد القياسية ثلاثة القطب باستخدام الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 القطب كما القطب العامل، حج / أجكل (جلس، بوكل أو 3 M حل بوكل) القطب كالإلكترود المرجعي و بت سلك أو Pt- الشبكة كما القطب مكافحة . تمت تعبئة خلية غاز محكم مجهزة بار تحريك بالكهرباء تتكون من 0.5 م 2 سو 4 لجميع التجارب الكهروكيميائية. لم يتم تبادل بالكهرباء خلال اختبار الكهروكيميائية من القطب. يتم الإشارة إلى جميع الإمكانيات إلى E ري (ري = هيدروجين إلكترود قابل للعكس) وفقا ل E ري = E أغ / أجكل + X + 0.059 ف مع X = 0.197 V (كلوريد مشبع) أو X = 0.210 V (3 M بوكل) غير ذلك.

  1. الخطوات الأولية
    1. ربط جميع الأقطاب الثلاثة مع أسلاك بوتنتيوستات.
    2. إضافة 25 مل من بالكهرباء (0.5 م 2 سو 4 ) في الخلية الكهروكيميائية وضبط الكهربائيةديس لضمان أن أقطاب مغمورة تماما في الحل. في وقت لاحق، والتبديل على بوتنتيوستات.
    3. التبديل على التحريك المغناطيسي.
  2. تنظيف الكهروكيميائية من سطح القطب
    1. إجراء تجربة فولتاميتري دوري (كف) للحصول على نظرة سريعة على العمليات الكهروكيميائية التي يمكن ملاحظتها.
    2. تعيين النطاق المحتمل من 0.2 إلى -0.2 V مع معدل مسح 100 مف / ثانية (منطقة محتملة غير حافزة). وعلاوة على ذلك، تعيين عدد الدورات إلى 20.
    3. بدء عملية ركوب الدراجات والانتظار حتى الانتهاء من الدورة الأخيرة. إذا على الأقل 3 إلى 4 الدورات التي تم الحصول عليها تتزامن، اكتمال تنظيف الكهربائي الكهروكيميائية. في حالة الاختلاف إضافة دورات حتى يتم الحصول على منحنيات مستقرة.
  3. قياس الأداء الحفاز - فولتاميتري الاجتياح الخطي
    1. قبل بدء التجربة تحديد قيمة التعويض R R وأو الإعداد الكهروكيميائية.
    2. حدد البرنامج للتجارب الاجتياح الخطي فولتامتري (لسف) وتعيين النطاق المحتمل من 0.2 إلى -0.6 V ومعدل المسح إلى 5 مف / ثانية، بما في ذلك ط R انخفض في التجربة. بدء التجربة.
    3. كرر التجارب الاجتياح الخطي لضمان استنساخه. في حالة النتائج غير قابلة للتكرار تبدأ من الخطوة 5.2.
  4. قياس الاستقرار والكمية
    1. إجراء تجربة كولوميتري المحتملة التي تسيطر عليها (كيك).
    2. تعيين القدرة على -0.6 V مع وقت التجربة من 20 ساعة على الأقل (72،000 ق).
    3. جمع عينات الغاز في وقت واحد مع حقنة ضيقة الغاز من فراغ الرأس من الخلية مختومة من خلال الحاجز لكل ساعة لمدة 4 ساعات على الأقل من التجربة. حقن العينات في أداة غ لتحديد الكمي وتحديد كمية الهيدروجين المنتجة باستخدام منحنى المعايرة المسجلة على هذا الصك.
    5. تقدير مساحة السطح الكهروكيميائية (إيسكا)
    ملاحظة: لا تحريك حل بالكهرباء خلال هذه التجربة.
    1. تحديد تعويض R R لقياس مقاومة الحل.
    2. حدد نطاق المحتملة بين 0.1 و 0 V في التجربة فولتاميتري دوري وتعيين معدل المسح الضوئي إلى 10 مف ق -1 . استخدم تصحيح التصحيح i R. تعيين عدد دورات التجربة إلى 5.
    3. كرر الخطوات 5.4.1) إلى 5.4.2) لمعدلات مسح 20، 30، 40، 50 و 60 مف s -1 .
    4. من منحنيات السيرة الذاتية الحصول على اختيار الدورة الخامسة لمزيد من التفسير.
    5. تحديد الاختلافات كثافة الشحن الحالية (Δj = j a j ج ) ورسم هذه القيم كدالة لمعدل المسح الضوئي. المنحدر الخطي هو ما يعادل ضعف من طبقة مزدوجة السعة C دل ، وهو يتناسب مع مساحة السطح الكهروكيميائية (إيسسا).
  5. شركة(إيس)
    1. سجل أطياف مقاومة الكهروكيميائية في مدى التردد من 50 كيلو هرتز إلى 1 هرتز في المقابلة الدائرة المفتوحة المحتملة و أوفيربوتنتيال من 0.3 V.
    2. رسم مؤامرة نيكويست من البيانات الواردة لتحديد المقاومة نقل تهمة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تأكيد التركيب الناجح لفيت 4.5 ني 4.5 S 8 الذي يمتلك بنية بينتلانديت من خلال تجارب حيود الأشعة السينية المسحوقية بسبب وجود بارز (111) و (311) و (222) و (331) و (511) الشكل 1 أ ). ومع ذلك، فإن التحكم السليم في درجة الحرارة أثناء التفاعل هو المفتاح للحصول على المواد النقية الطورية. والجدير بالذكر أن الحلول الصلبة أحادية الكبريت (مللي ثانية)، شوائب مشتركة من المواد بنتلانديت 11 ، لوحظ، عندما تم تسخين الخليط إلى 700 درجة مئوية بمعدل تسخين أعلى (على سبيل المثال 20 درجة مئوية / دقيقة). يتم تصوير نموذج زرد نموذجي من هذه العينة أيضا ( الشكل 1A والأحمر). على العكس من ذلك، إذا تم تطبيق معدل التدفئة المناسبة من 5 درجة مئوية / دقيقة، وظهور مس يمكن أن تخفض بشكل كبير إذا لم يلغ حتى ( الشكل 1A ، أسود). موسبور sالطيفي ( الشكل 1B ) يؤكد هيكل بنتلانديت من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 عينة. وتكشف المادة عن موقعين حديديين مختلفين مختلفين مع تحولات إيزومرية قدرها 0.13 (± 0.02) و 0.50 (± 0.02) مم / ثانية، وكذلك اقتران رباعي الأقطاب قدره 0.12 (± 0.02) و 0.13 (± 0.02) على التوالي ( الشكل 1b ). وتتفق هذه الملاحظة بشكل جيد مع تقارير الأدب والنتائج الهيكلية التي تبين موقعين حديديين مختلفين. 12 بالإضافة إلى ذلك، كشف قياس المسعر التفاضلي (دسك) ( الشكل 1C ) مرحلتين المرحلة الرئيسية في 612 درجة مئوية و 861 درجة مئوية، مما يدل على عدم وجود مراحل غير مرغوب فيها وفقا لتقارير الأدب. 13

شكل 1
الشكل 1: زرد و Möسبور الطيفي. ( أ ) أنماط زرد من العينات المحضرة بمعدلات تسخين تبلغ 5 درجات مئوية / دقيقة (أسود) و 20 درجة مئوية / دقيقة (أحمر). للاشارة، يظهر نمط من بينتلانديت محاكاة من بيانات حيود الكريستال واحد (الأزرق). يتم وضع علامة على التأملات المقابلة ل مس مع #. ( ب ) الطيف موسباور و (ج) منحنى دسك من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 . تم استنساخ أجزاء من هذا الرقم من منشور سابق في نات كوم. 8 الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

صور سيم من مصقول الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 يتم وصف الصخور وبيليه أقطاب في الشكل 2A . استخدمنا تحليل إدكس لتحديد التركيب العنصري للمادة على السطح. و إدكسويظهر الطيف في الشكل 2B . ذروة الكربون في الطيف تنتج من استخدام منصات الكربون لتركيب العينة على حامل. من إدكس الكمي - هو مبين في الشكل 2C - تم تحديد النسبة بين الحديد والنيكل لتكون 1.06: 1.00. على افتراض أن مجموع الحديد والنيكل هو 9، الصيغة الفعلية المبلغ هو الحديد 4.64 ني 4.36 S 8.11 . الانحراف عن الصيغة المثالية في 4.5 ني 4.5 S 8 هو ضمن هامش الخطأ. هذه النتيجة تتفق مع ملاحظة مرحلة بينتلانديت نقية في نمط زرد من العينة.

الشكل 2
الشكل 2: تحليل سيم و إدكس. سيم ميكروغراف من ( أ ) 'الصخور' و ( ب ) أقطاب 'بيليه'. الحانات مقياس = 1 μم. ( ج ) الطيف إدكس و ( د ) تحليل تكوين القطب "الصخور". تم استنساخ أجزاء من هذا الرقم من منشور سابق في نات كوم. 8 الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

لاختبار الأداء الكهروكيميائية نحو هر، أولا تم إعداد الأقطاب باستخدام قطعة قطع من الصخور وبيليه ضغط من مسحوق ناعم مسحوق، على التوالي. وترد الخطوات الرئيسية لإعداد "الصخور" و "بيليه" القطب في أرقام 3A و 3 B، على التوالي. إجراء الاختبار القياسية ينطوي أولا، تلميع والغسيل الكهروكيميائية من الأقطاب الكهربائية. ثم، يتم تسجيل فولتاموغرامز الاجتياح الخطي (لسف)، تليها اختبار الاستقرار، إلى جانب الكمي المنتج. وأخيرا، فإن سورفا الكهروكيميائية(إيسكا). في الشكل 3C ، يتم عرض لسف من كلا النوعين "أقطاب. من لسف يقدر على مدى المحتملة ل هر أن يكون -280 مف و -285 مف مقابل ري في كثافة الحالية من 10 مللي أمبير / سم 2 ل "الصخور" و "بيليه" القطب، على التوالي. قطرة قطرة المغلفة قطرة لم تظهر أي تحسن أداء إليكتروكاتاليتيك. لذلك، فإن تأثير طريقة التحضير على الأداء بسيط. إهمال إجراء قطرة الطلاء، ويمكن ملاحظة سلوك مماثل لاستقرار على المدى الطويل من الأقطاب ( الشكل 3D )، في حين أن "بيليه" يظهر سلوك تفعيل أسرع كما ذكرنا من قبل ل "الصخور" الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 أقطاب كهربائية. 8 كلا القطبين تظهر الكثافة الحالية مقارنة بعد الانتهاء من التنشيط. ومع ذلك، إذا يتعرض القطب المغلفة قطرة ل كومبارابلي الكهروكيميائية الظروف، وكمية عالية من الهيدروجين المنتجة، يؤدي إلى انفصال من حافزا من دعم القطب وبالتالي لتعطيل النظام. الشكل 3D (أقحم) يبين كمية الهيدروجين المنتجة اعتمادا على وقت التحليل الكهربائي باستخدام القطب "الصخور". ويمكن ملاحظة كميات الهيدروجين مقارنة لأقطاب "بيليه". من منحدر تناسب خطي من الكميات غ، يتم تحديد معدل إنتاج الهيدروجين من 2.14 ملمول H 2 ساعة -1 سم -2 ، والتي هي - لدينا أفضل المعرفة - ضرب فقط من قبل البلاتين (11 مليمول H 2 ح -1 سم -2 ) في إمكانات تطبيقية مماثلة. 14 ولتحديد إيسسا، تم رسم فرق الكثافة الحالي للتهمة كدالة لمعدل المسح. يظهر الرسم البياني الناتج في الشكل 3e . من المنحدر، فقط الاختلافات الهامشية في إسسا وبالتالي ثيمكن ملاحظة عدد من المواقع النشطة، التي هي في هامش الخطأ من هذه القياسات بشكل جيد. لذلك، كلا إعداد أنواع تقدم أقطاب من أداء مماثل. في الشكل 3F يظهر مؤامرة نيكويست نموذجية من البيانات إيس من القطب "الصخور". وبالمثل، الأقطاب الكهربائية "بيليه" تكشف عن نفس السلوك. هذه المؤامرة يكشف عن منخفضة جدا نقل المسؤول المقاومة (R كت = 57.2 Ω) من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 القطب السائبة، وهو ما يتسق مع الموصلية الجوهرية عالية من المواد.

الشكل 3
الشكل 3: إعداد الكهربائي والتحليل الكهروكيميائية. خطوات التحضير من 'الصخور' ( أ ) و 'بيليه' ( ب ) اكتب الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 الأقطاب الكهربائية. لينيا( c ) في 5 مف s -1 من 'الصخور' (أسود)، 'بيليه' (الأحمر) قطرة المغلفة (الأزرق) القطب. ( د ) أكثر من 18 ساعة عند 0.6 V من "الصخور" (أسود) و "بيليه" أقطاب (الأحمر). يظهر إنسيت إنتاج الهيدروجين خلال أول 4 ساعات من التحليل الكهربائي باستخدام القطب "الصخور". يشير الخط الأزرق إلى الملاءمة الخطية للبيانات. ( ه ) شحن الاختلافات الحالية الكثافة كدالة لمعدل المسح الضوئي لأقطاب "الصخور" (الأسود) و "بيليه" (الأحمر). ويمثل المنحدر الخطي منطقة السطح الكهروكيميائية (إيسا). و) مؤامرة نيكويست والدائرة المكافئة في هر مفرطة الجهد (η = 300 مف) من القطب "الصخور". تم استنساخ أجزاء من هذا الرقم من منشور سابق في نات كوم. 8 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذاالشكل.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تم إجراء تركيب الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 في أمبولة فراغ مختومة لمنع أكسدة المواد أثناء التوليف. خلال التوليف، التحكم في درجة الحرارة هو المفتاح للحصول على منتج نقي. أول، خطوة التدفئة بطيئة جدا وبالتالي يمنع سوبيرهاتينغ من الكبريت، والتي قد تتسبب في تكسير أمبولة بسبب ارتفاع ضغط الكبريت. حتى أكثر أهمية هو الوقاية من الشوائب المرحلة مثل أحادية كبريتيد حلول صلبة (مللي ثانية) عن طريق التدفئة بطيئة من العينة. الخطوة التلدين التالية في 700 درجة مئوية يضمن موازنة النظام. وبعد ذلك، الصلب في 1100 درجة مئوية يؤدي في النهاية إلى تشكيل مرحلة بينتلانديت نقية، وهي مرحلة ارتفاع درجة الحرارة من كبريتيد النيكل الحديد. 13

عند إعداد أقطاب "الصخور"، من المهم أن قطعة من "الصخور" العصي للخروج من الطويق تقريبا. 2 ملم لتكون قادرة على قطع ما يكفي من المواد ل أوبتافي سطح القطب على نحو سلس (A = 0.135cm 2 ) دون تعريض الطويق. يستخدم الايبوكسي الغراء لتحديد "الصخور" في الطويق وكذلك تثبيت أنابيب تفلون، والذي يمنع الاتصال بين بالكهرباء وأي أجزاء من القطب بغض النظر عن المادة الفعالة. خلاف ذلك يمكن أن تحدث ردود الفعل الجانبية وتعرقل استنساخه. وينبغي أن يتم تطبيق الغراء الايبوكسي بطريقة لا توجد فقاعات محاطة في الغراء. هذه الفقاعات قد يسبب التعرض غير المرغوب فيه من الطويق أو المواد. يجب أن يجف الغراء الايبوكسي على الأقل بين عشية وضحاها لتكون قابلة للتحقيق تماما. في حالة الأقطاب الكهربائية "بيليه"، غلاف تفلون يخدم دورا مماثلا كما ذكر من قبل لأقطاب "الصخور". ال وينبغي أن يكون حافزا المستخدمة مادة الدكتايل جيدا مع الموصلية جيدة. وإلا فإن المواد ليست مؤهلة للضغط و بدلا الموثق موصل المواد يجب أن تضاف إلى توفير الاستقرار والموصلية. أبعاد الفجوةبين القضية و بيليه يجب أن تكون صغيرة بشكل لا يصدق. وبالتالي فمن الأفضل لإعداد بيليه الذي هو أكبر قليلا من غلاف تفلون. إزالة الفائض الإيبوكسيد الفضة الغراء مهم أيضا، لتجنب رد فعل الفضة خلال القياسات الكهروكيميائية. بعد علاج القطب الملصق في 60 درجة مئوية، فمن المستحسن أن ترك القطب يبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل مزيد من التحضير أو قد تتراجع المواد المضغوطة. للحصول على مساحة هندسية محددة جيدا (A = 0.071 سم 2 ) دون أي تصدعات وبادئات، يجب على بيليه التمسك 1 ملم على الأقل. يجب أن يكون مصقول إلى أسفل حتى يتم مسح مع القضية. منذ بيليه يمكن أن تكون هشة جدا قد يكون من المفيد استخدام العلب تفلون مع قوة الجدار لا يقل عن 2 ملم، لذلك يوفر الدعم الكافي، في حين طحن وتلميع. لتوفير نوعية متسقة وتوحيد السطح، فمن المعقول أن تبدأ مع الخشنة وينتهي مع أرقى جلخه.

بشكل عام، لالأقطاب السائبة كما هو موضح هنا يجب أن يلاحظ أن مادة حفاز موصل إلزامي لضمان نقل الإلكترون بسرعة ومنع القيود المقاومة. ويمكن تنفيذ نهج لتنفيذ المواد الحفازة غير موصل في هذا النوع القطب عن طريق شل حركة المحفز على الركيزة موصل (على سبيل المثال الكربون الأسود، الجرافيت) وإعداد أقطاب بدءا من هذا مسحوق مركب. هذه الطريقة، ومع ذلك، سوف تستبعد إمكانية إعداد أقطاب "الصخور". وهناك خطوة أخرى للحصول على أقطاب عالية الجودة وخاصة أكثر الصناعية ذات الصلة باستخدام نهج مماثل ل "بيليه" القطب يضغط على المواد مباشرة على جامع الحالي (على سبيل المثال ني شبكة) وسيتم استكشافها من قبلنا في العمل في المستقبل.

تلميع الأقطاب قبل اختبار خصائص إليكتروكاتاليتيك أمر حاسم للحصول على نتائج استنساخه. إلكتروشيميكال تنظيف القطب إكيليبراتس الكهربائي ويزيل أي الشوائب كثف من سطح القطب. يتم تسجيل لسف متعددة لضمان استنساخ البيانات. وعلى النقيض من اختبارات الاستقرار التي يتم الإبلاغ عنها عادة، والتي يتم إنجازها بشكل عام بطريقة غالفانوستاتيك بكثافات منخفضة منخفضة نسبيا (معظمها 10 مللي أمبير / سم 2 )، فقد اخترنا إجراء اختبار استقرار ثبات القدرة عند زيادة القدرة المحتملة، مما يؤدي إلى كثافة عالية عالية ( > 500 مللي أمبير / سم 2 ). ميزة مثل هذا اختبار الضغط هو دفع المواد إلى حدود الكهروكيميائية والميكانيكية وكذلك توفير اختبار القطب أكثر واقعية. من أجل القياس الكمي لضيق الغاز من الخلية الكهروكيميائية والمحاقن أمر بالغ الأهمية للحصول على نتائج متسقة. وعالوة على ذلك، فإن المعايرة الجيدة للقاهرة الكربى إلزامية. التحريك خلال هذه التجربة يوفر خلط شامل من بالكهرباء ويعزز الامتزاز من فقاعات الهيدروجين من القطب سورفام. ومع ذلك، يجب إيقاف تشغيل التحريك خلال تجارب إيسسا، منذ مطلوب تراكم الصحيح للطبقة الكهروكيميائية مزدوجة. ويمكن الحصول على استنتاجات بشأن الاعتماد على نشاط المواد وإحصاء الموقع النشط الذي يتناسب مع إيسكا من إيسكا. وبالتالي، تحليل إسسا هو أداة سهلة تمكن من مقارنة أداء مختلف المحفزات.

باختصار، نحن توليفها الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 ، موصل للغاية انتقال كبريتيد المعادن، وأعدت نوعين من الأقطاب السائبة باستخدام هذه المواد. تم اختبار الأقطاب الكهربائية نحو تفاعل تفاعل الهيدروجين باستخدام أساليب الكهروكيميائية القياسية مثل لسف و كيك و إيسا. تم تحديد معدل تطور الهيدروجين باستخدام غ، وهو من بين أعلى المعدلات الملحوظة للمحفزات المعدنية غير النبيلة في أوفيربوتنتيال منخفضة. أداء كلا النوعين من الأقطاب مشابه مع القطب "بيليه" يجري قليلاالإعلان في الأداء وخاصة تنشيط القطب. هذا، ومع ذلك، قد تنبع من مساحة سطح مبالغ فيها في أقطاب 'الصخور'. والجدير بالذكر أن الأقطاب الكهربائية "بيليه" لها ميزة أن المساحة السطحية يمكن أن تكون أكثر سهولة وأكثر تحديدا تحديد وإعادة إنتاجها. هذه الميزة تجعل أقطاب "بيليه" أكثر قيمة للدراسات مماثلة، في حين أن "الصخور" أقطاب هي أسهل وأرخص للتحضير. وسوف يركز العمل في المستقبل على تصميم نسخة على نطاق واسع من أقطاب "بيليه".

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

نشكر B. كونكينا أوند W. ششهمان للمناقشات العلمية القيمة. الدعم المالي من قبل فوندز للصناعة الكيميائية (منحة ليبيغ إلى U- السلطة الفلسطينية) ودويتش فورسشونغزجيمينشافت (منحة إيمي نويثر إلى الولايات المتحدة والسلطة الفلسطينية، AP242 / 2-1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Iron, powder Sigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com 12310-500G-R
Nickel, powder Sigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com 203904-25G H: 351-372-317-412;
P: 281-273-308-313-302+352
Sulfur, powder Sigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com 13803-1KG-R H: 315
Silver Epoxy Glue EC 151 L Polytec PT, http://www.polytec-pt.de/de/ 161010-1 -
Two Component Epoxy Glue Uhu Plus Endfest Uhu, http://www.uhu.com -  H: 315-319-317-411;
 P: 101-102-261-272-280-302+352-333+313-362-363-305+351+338-337+313
Sulfuric Acid >95% VWR, https://ru.vwr.com 231-639-5 H: 290-314;
S: (1/2)-26-30-45
PTFE Tube - - Prepare 8 cm long peaces
Iron Sleeves - - Connect to the copper wire
Copper Wire - - -
Lapping Film 3µm, 215.9 mm x 279 mm 3M, http://3mpro.3mdeutschland.de 60-0700-0232-8 Polish with a small amount of water
Lapping Film 1µm, 215.9 mm x 279 mm 3M, http://3mpro.3mdeutschland.de 60-0700-0266-6 Polish with a small amount of water
Sand Paper 20 µm, SiC - - -
Sand Paper 14 µm, SiC - - -
Dremel Model 225 Dremel, https://www.dremeleurope.com 2615022565 Use grinding pulley wheel for cutting 
Hand Made Pellet Press Hand Made - -
Stirring Plate - - -
GAMRY Reference 600 GAMRY Instruments, https://www.gamry.com - -
Gero Furnace 30-3,000 °C http://www.carbolite-gero.de - -
Quartz glass ampule Hand Made - -
Vacuum pump - - -
Hydraulic press - - -

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. May, M. M., Lewerenz, H. -J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure. Nat Comm. 6, 8286 (2015).
  2. Sheng, W., et al. Correlating hydrogen oxidation and evolution activity on platinum at different pH with measured hydrogen binding energy. Nat Comm. 6, 5848 (2015).
  3. Li, X., Hao, X., Abudula, A., Guan, G. Nanostructured catalysts for electrochemical water splitting: Current state and prospects. J. Mater. Chem. A. 4 (31), 11973-12000 (2016).
  4. Merki, D., Hu, X. Recent developments of molybdenum and tungsten sulfides as hydrogen evolution catalysts. Energy Environ. Sci. 4 (10), 3878 (2011).
  5. Kibsgaard, J., Chen, Z., Reinecke, B. N., Jaramillo, T. F. Engineering the surface structure of MoS2 to preferentially expose active edge sites for electrocatalysis. Nat Mater. 11 (11), 963-969 (2012).
  6. Kong, D., Cha, J. J., Wang, H., Lee, H. R., Cui, Y. First-row transition metal dichalcogenide catalysts for hydrogen evolution reaction. Energy Environ. Sci. 6 (12), 3553 (2013).
  7. Voiry, D., et al. Enhanced catalytic activity in strained chemically exfoliated WS(2) nanosheets for hydrogen evolution. Nat Mater. 12 (9), 850-855 (2013).
  8. Konkena, B., et al. Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation. Nat Comm. 7, 12269 (2016).
  9. Jeon, H. S., et al. Simple Chemical Solution Deposition of Co₃O₄ Thin Film Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction. ACS Appl Mater Interfaces. 7 (44), 24550-24555 (2015).
  10. Xia, F., Pring, A., Brugger, J. Understanding the mechanism and kinetics of pentlandite oxidation in extractive pyrometallurgy of nickel. Mine Eng. 27-28, 11-19 (2012).
  11. Drebushchak, V. A., Kravchenko, T. A., Pavlyuchenko, V. S. Synthesis of pure pentlandite in bulk. J Crystal Growth. 193 (4), 728-731 (1998).
  12. Knop, O., Huang, C. -H., Reid, K., Carlow, J. S., Woodhams, F. 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). J Solid State Chem. 16 (1-2), 97-116 (1976).
  13. Kullerud, G. Thermal stability of pentlandite. The Canadian Mineralogist. 7 (3), 353-366 (1963).
  14. Siracusano, S., et al. An electrochemical study of a PEM stack for water electrolysis. Int J Hydrogen Energy. 37 (2), 1939-1946 (2012).

Tags

الكيمياء، العدد 124، والكيمياء غير العضوية، إليكتروكاتاليسيس، القطب السائبة، كبريتيد النيكل الحديد، وتفاعل رد فعل الهيدروجين
طرق بسيطة لإعداد المعادن غير النبيلة السائبة الأقطاب لتطبيقات إليكتروكاتاليتيك
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

junge Puring, K., Piontek, S.,… More

junge Puring, K., Piontek, S., Smialkowski, M., Burfeind, J., Kaluza, S., Doetsch, C., Apfel, U. P. Simple Methods for the Preparation of Non-noble Metal Bulk-electrodes for Electrocatalytic Applications. J. Vis. Exp. (124), e56087, doi:10.3791/56087 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter