Elektrokatalitik Uygulamalar İçin Asal Olmayan Metal Dökme Elektrodların Hazırlanması İçin Basit Yöntemler
Summary
Dökme materyal Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'i kullanarak elektrotların kolay hazırlanma metodu sunulmuştur. Bu yöntem, geleneksel elektrot üretimine alternatif bir teknik sağlar ve basit bir elektrokatalitik test yöntemi de dahil olmak üzere alışılmamış elektrot malzemeleri için önkoşulları açıklar.
Abstract
Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 bileşimine sahip kaya malzemesi pentlandit, elementlerden yüksek sıcaklıkta sentez yoluyla sentezlenmiştir. Malzemenin yapısı ve bileşimi toz X-ışını kırınımı (PXRD), Mössbauer spektroskopi (MB), taramalı elektron mikroskobu (SEM), diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ile karakterize edildi. Pentlandit bulk elektrodlarının iki hazırlama yöntemi sunulmuştur. Birinci yaklaşımda sentetik pentlandit kaya parçası doğrudan bir tel çerçeveyle temas ettirilir. İkinci yaklaşım, Teflon muhafaza içerisinde hareketsiz kılınmış ince öğütülmüş tozdan preslenen pentlandit peletlerini kullanmaktadır. Her iki elektrot da, katıksız bir yöntemle hazırlanırken, yaygın damla kaplama yöntemlerine kıyasla elektrokatalitik dönüşümler sırasında yüksek dayanıklılık ortaya koymaktadır. Burada, suyun sağlanması için bu gibi elektrotların çarpıcı performansını sergiliyoruz.Rogen evrim reaksiyonu (HER) ve elektrokatalitik performansı elektrokimyasal ve gaz kromatografik yöntemlerle değerlendirmek için standart bir yöntem sunmaktır. Ayrıca, endüstriyel şartlar altında elektroliz sırasında elektrotların malzeme sınırlamalarını araştırmak için potansiyostatik yöntemlerle 0.6 V'luk aşırı gerilimde kararlılık testleri sunmaktayız.
Introduction
Güneş ve rüzgar enerjisi gibi dalgalı yenilenebilir enerji kaynaklarının depolanması, fosil yakıtların giderek solup gitmesi ve daha sonra alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç duyması nedeniyle sosyal açıdan önemli bir konudur. Bu bağlamda, hidrojen, temiz yanma işlemi nedeniyle bir moleküler enerji depolama çözümü için umut vadeden bir sürdürülebilir adadır. 1 Ayrıca hidrojen yakıt olarak veya daha karmaşık yakıtlar, örneğin metanol için başlangıç malzemesi olarak kullanılabilir. Karbon nötr kaynakları kullanarak hidrojenin kolay sentezlenmesinin tercih edilen yolu, sürdürülebilir enerjileri kullanarak suyun elektrokimyasal indirgenmesidir.
Halen platin ve onun alaşımları, düşük aşırı potansiyel, hızlı reaksiyon oranı ve yüksek akım yoğunluklarında çalışma olan hidrojen evrim reaksiyonu (HER) için en etkili elektrodatalizörler olarak bilinmektedir. 2 Bununla birlikte, yüksek fiyatı ve düşük doğal bolluğu nedeniyleTernatif olmayan soy metal katalizörleri gereklidir. Değerli olmayan alternatif geçiş metali katalizörlerinin büyük miktarı arasında, özellikle geçiş metali dikeralojidleri (MX2; M = Metal; X = S, Se), yüksek HER aktivitesine sahip oldukları gösterilmiştir. 4 , 5 , 6 , 7 Bu açıdan son zamanlarda Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'i son derece dayanıklı ve aktif bir 'rock' HER elektrokatalist olarak sunduk. Bu doğal olarak zengin malzeme asidik koşullar altında kararlıdır ve iyi tanımlanmış bir katalitik aktif yüzey ile yüksek özünürlüklü iletkenlik gösterir. 8
Yüksek HER aktivitelerine sahip çok sayıda malzeme rapor edilmiş olsa da, elektrod hazırlığı genellikle çoğaltılabilirlik ve tatminkar stabiliteler (> 24 saat) gibi birçok problemle birlikte ortaya çıkar. AdditionallGeçiş metaline dayanan katalizörlerin dökme halindeki esas iletkenliği genellikle yüksek olduğundan, elektrot hazırlığı etkili bir elektron transferi sağlamak için nano yapılı katalizörleri gerektirir. Bu katalizörler daha sonra Nafion ve katalizör gibi birleştiriciler içeren bir katalizör mürekkebine dönüştürülür. Daha sonra, mürekkep atıl bir elektrot yüzeyinde ( örneğin, camsı karbon) damla ile kaplanır. Düşük akım yoğunluklarında makul derecede kararlı olmakla birlikte, artmış temas direnci ve elektrot desteğine katalizörün vasat bir şekilde yapışması, yüksek akım yoğunluklarında yaygın olarak gözlemlenir. Dolayısıyla, daha yeterli hazırlama yöntemlerine ve elektrot malzemelerine ihtiyaç olduğu açıktır.
Bu protokol, dökme malzemeler kullanarak yüksek dayanıklılık ve maliyet tasarruflu elektrotlar için yeni bir hazırlama prosedürü sunmaktadır. Böyle bir elektrod için ön koşul, düşük intrinsik malzemeler direncidir. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 fulBu kriteri doldurur ve mühürlenmiş silis ampullerindeki basit bir yüksek sıcaklık sentezi yoluyla elementlerden elde edilebilir. Elde edilen malzeme, toz Xray difraktometrisi (PXRD), diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı Xray spektroskopisi (EDX) kullanılarak yapısına, morfolojisine ve bileşimine göre karakterize edilir. Sentezlenen malzeme, iki tür yığın elektrodu, yani 'kaya' ve 'pellet' elektrotlarını elde edecek şekilde işlenir. Her iki elektrod tipinin performansı daha sonra standart elektrokimyasal testler kullanılarak araştırılır ve H 2 kantifikasyonu gaz kromatografisi (GC) ile gerçekleştirilir. Her iki tip elektrodun performansının, yaygın olarak kullanılan damla kaplama deneylerine kıyasla karşılaştırması sunulmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 sentezi, sentez sırasında malzemenin oksidasyonunu önlemek için vakum ile kapatılmış bir ampul içinde gerçekleştirildi. Sentez sırasında, sıcaklık kontrolü, saf bir ürün elde etmek için anahtardır. Birinci, çok yavaş ısıtma aşaması böylece yüksek sülfür basıncına bağlı olarak ampulün çatlamasına neden olabilecek kükürtün aşırı ısınmasını engeller. Daha da önemlisi, numunenin yavaş ısıtılması ile mono-sülfid katı eriy…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Değerli bilimsel tartışmalar için B. Konkena und W. Schuhmann'a teşekkür ediyoruz. Kimya Endüstrisi Fonds'ın (U.-PA'ya Liebig hibesi) ve Deutsche Forschungsgemeinschaft'ın (U.-PA'ya verilen Emmy Noether hükmü, AP242 / 2-1) maddi destek.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- Merki, D., Hu, X. Recent developments of molybdenum and tungsten sulfides as hydrogen evolution catalysts. Energy Environ. Sci. 4 (10), 3878 (2011).
- 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).
- 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).
- Voiry, D., et al. Enhanced catalytic activity in strained chemically exfoliated WS(2) nanosheets for hydrogen evolution. Nat Mater. 12 (9), 850-855 (2013).
- Konkena, B., et al. Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation. Nat Comm. 7, 12269 (2016).
- 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).
- 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).
- Drebushchak, V. A., Kravchenko, T. A., Pavlyuchenko, V. S. Synthesis of pure pentlandite in bulk. J Crystal Growth. 193 (4), 728-731 (1998).
- 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).
- Kullerud, G. Thermal stability of pentlandite. The Canadian Mineralogist. 7 (3), 353-366 (1963).
- Siracusano, S., et al. An electrochemical study of a PEM stack for water electrolysis. Int J Hydrogen Energy. 37 (2), 1939-1946 (2012).
