Méthodes simples pour la préparation d'électrodes en masse de métaux non nobles pour applications électrocatalytiques
Summary
Un procédé de préparation facile d'électrodes utilisant le matériau en vrac Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 est présenté. Cette méthode fournit une technique alternative à la fabrication d'électrodes classiques et décrit les conditions préalables pour les matériaux d'électrodes non conventionnelles, y compris une méthode directe d'essai électrocatalytique.
Abstract
Le matériau de roche pentlandite avec la composition Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 a été synthétisé par une synthèse à haute température à partir des éléments. La structure et la composition du matériau ont été caractérisées par la diffraction des rayons X en poudre (PXRD), la spectroscopie Mössbauer (MB), la microscopie électronique à balayage (SEM), la calorimétrie à balayage différentiel (DSC) et la spectroscopie à rayons X à énergie dispersive (EDX). Deux méthodes de préparation d'électrodes en masse pentlandite sont présentées. Dans la première approche, un morceau de roche de pentlandite synthétique est directement contacté par une ferrule de fil. La deuxième approche utilise des pastilles de pentlandite, pressées à partir de poudre finement broyée, qui est immobilisée dans un boîtier en Teflon. Les deux électrodes, tout en étant préparées par une méthode sans additif, révèlent une grande durabilité pendant les conversions électrocatalytiques par rapport aux méthodes communes de déposage. Nous présentons ici la performance frappante de ces électrodes pour accomplir l'hydRogen evolution reaction (HER) et présentent une méthode standardisée pour évaluer la performance électrocatalytique par des méthodes de chromatographie électrochimique et gazeuse. En outre, nous rapportons des tests de stabilité via des méthodes potentiostatiques à un potentiel de surpotence de 0,6 V pour explorer les limites matérielles des électrodes pendant l'électrolyse dans des conditions industrielles pertinentes.
Introduction
Le stockage des sources d'énergie renouvelables variables telles que l'énergie solaire et éolienne est d'un intérêt social important en raison de l'évanouissement progressif des combustibles fossiles et du besoin ultérieur de sources d'énergie alternatives. À cet égard, l'hydrogène est un candidat durable prometteur pour une solution de stockage d'énergie moléculaire en raison d'un processus de combustion propre. 1 En outre, l'hydrogène pourrait être utilisé comme carburant ou comme matière de départ pour des carburants plus complexes, par exemple le méthanol. La méthode préférée pour une synthèse facile de l'hydrogène utilisant des ressources neutres en carbone est la réduction électrochimique de l'eau à l'aide d'énergies durables.
Actuellement, le platine et ses alliages sont connus pour être les électrocatalyseurs les plus efficaces pour la réaction d'évolution de l'hydrogène (HER) présentant un faible potentiel de surtension, une vitesse de réaction rapide et un fonctionnement à fortes densités de courant. 2 Cependant, en raison de son prix élevé et de son faible abondance naturelle, alDes catalyseurs métalliques non nobles sont nécessaires. Parmi la grande quantité de catalyseurs alternatifs non précieux en métal de transition, 3, en particulier, les dichlorogénures de métaux de transition (MX 2 ; M = Metal; X = S, Se) ont montré une activité HER élevée. 4 , 5 , 6 , 7 À cet égard, nous avons récemment présenté Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 comme un électrocatalyseur HER 'hard rock' hautement durable et actif. Ce matériau naturellement abondant est stable dans des conditions acides et présente une conductivité intrinsèque élevée avec une surface catalytique active bien définie. 8
Bien que de nombreux matériaux ayant des activités HER élevées aient été signalés, la préparation des électrodes est souvent accompagnée de multiples problèmes, par exemple reproductibilité et stabilités satisfaisantes (> 24 h). AdditionnelY, étant donné que la conductivité intrinsèque des catalyseurs à base de métal de transition en vrac est généralement élevée, la préparation des électrodes nécessite des catalyseurs nano-structurés pour permettre un transfert d'électrons efficace. Ces catalyseurs sont ensuite transformés en un encre catalyseur contenant des liants tels que Nafion et le catalyseur. Par la suite, l'encre est déposée sur une surface d'électrode inerte ( p. Ex. Carbone vitreux). Alors qu'il est raisonnablement stable à de faibles densités de courant, une résistance de contact accrue et une adhésion médiocre du catalyseur sur le support d'électrode est généralement observée à des densités de courant élevées. 9 Par conséquent, il est évident qu'il faut disposer de méthodes de préparation et de matériaux d'électrodes plus suffisantes.
Ce protocole présente une nouvelle procédure de préparation pour des électrodes hautement durables et rentables utilisant des matériaux en vrac. La condition préalable pour une telle électrode est une faible résistance aux matériaux intrinsèques. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 fulRemplit ce critère et peut être obtenu à partir des éléments via une simple synthèse à haute température dans des ampoules scellées de silice. Le matériau obtenu se caractérise par sa structure, sa morphologie et sa composition à l'aide de la diffractométrie en poudre (PXRD), de la calorimétrie à balayage différentiel (DSC), de la microscopie électronique à balayage (SEM) et de la spectroscopie radiographique à dispersion énergétique (EDX). Le matériau synthétisé est traité pour permettre deux types d'électrodes en vrac, à savoir les électrodes «rock» et «pellet». La performance des deux types d'électrodes est ensuite étudiée à l'aide de tests électrochimiques standard et de la quantification de H 2 effectuée par chromatographie en phase gazeuse (GC). Une comparaison de la performance des deux types d'électrodes par rapport aux expériences de couchage par coulée couramment utilisées est présentée.
Protocol
Representative Results
Discussion
La synthèse de Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 a été réalisée dans une ampoule scellée sous vide pour empêcher l'oxydation du matériau lors de la synthèse. Au cours de la synthèse, le contrôle de la température est la clé pour obtenir un produit pur. La première étape de chauffage très lente empêche ainsi la surchauffe du soufre, ce qui pourrait provoquer une fissuration de l'ampoule due à une forte pression de soufre. Encore plus crucial est la prévention des impuretés de …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions B. Konkena et W. Schuhmann pour des discussions scientifiques précieuses. Soutien financier par le Fonds de l'industrie chimique (concession de Liebig à U.-PA) et Deutsche Forschungsgemeinschaft (Emmy Noether à U.-PA, AP242 / 2-1).
Materials
| 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 x 279 mm | 3M, http://3mpro.3mdeutschland.de | 60-0700-0232-8 | Polish with a small amount of water |
| Lapping Film 1µm, 215.9 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 30-3000°C | http://www.carbolite-gero.de | – | – |
| Quartz glass ampule | Hand Made | – | – |
| Vacuum pump | – | – | – |
| Hydraulic press | – | – | – |
References
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