Einfache Methoden zur Herstellung von nicht edlen Metall-Bulk-Elektroden für elektrokatalytische Anwendungen
Summary
Ein einfaches Herstellungsverfahren für Elektroden unter Verwendung des Schüttguts Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 wird vorgestellt. Dieses Verfahren stellt eine alternative Technik für die herkömmliche Elektrodenherstellung bereit und beschreibt die Voraussetzungen für unkonventionelle Elektrodenmaterialien, einschließlich eines direkten elektrokatalytischen Testverfahrens.
Abstract
Das Felsmaterial Pentlandit mit der Zusammensetzung Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 wurde durch Hochtemperatursynthese aus den Elementen synthetisiert. Die Struktur und Zusammensetzung des Materials wurde durch Pulver-Röntgenbeugung (PXRD), Mössbauer-Spektroskopie (MB), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Differential Scanning Calorimetry (DSC) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) charakterisiert. Es werden zwei Vorbereitungsmethoden von Pentlandit-Masseelektroden vorgestellt. Im ersten Ansatz wird ein Stück aus synthetischem Pentlanditgestein direkt über eine Drahtzwinge kontaktiert. Der zweite Ansatz nutzt Pentlandit-Pellets, gepresst aus fein gemahlenem Pulver, das in einem Teflon-Gehäuse immobilisiert ist. Beide Elektroden zeigen, während sie durch ein additivfreies Verfahren hergestellt werden, eine hohe Haltbarkeit bei elektrokatalytischen Umwandlungen im Vergleich zu üblichen Tropfenbeschichtungsverfahren. Wir zeigen hier die auffällige Leistung solcher Elektroden, um das hyd zu erreichenRogen Evolution Reaktion (HER) und präsentieren ein standardisiertes Verfahren zur Bewertung der elektrokatalytischen Leistung durch elektrochemische und gaschromatographische Methoden. Darüber hinaus berichten wir über potentiostatische Methoden mit einem Überpotential von 0,6 V über Stabilitätsprüfungen, um die Materialbeschränkungen der Elektroden bei der Elektrolyse unter industriell relevanten Bedingungen zu erforschen.
Introduction
Die Speicherung von fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen wie Solar- und Windenergie ist aufgrund des allmählichen Verblassens fossiler Brennstoffe und der anschließenden Notwendigkeit alternativer Energiequellen von erheblichem gesellschaftlichem Interesse. In dieser Hinsicht ist Wasserstoff ein vielversprechender Nachhaltiger Kandidat für eine molekulare Energiespeicherlösung wegen eines sauberen Verbrennungsprozesses. 1 Zusätzlich könnte Wasserstoff als Brennstoff oder als Ausgangsmaterial für komplexere Treibstoffe, zB Methanol, eingesetzt werden. Der bevorzugte Weg für eine einfache Synthese von Wasserstoff mit kohlenstoffneutralen Ressourcen ist die elektrochemische Reduktion von Wasser mit nachhaltigen Energien.
Derzeit sind Platin und seine Legierungen bekanntlich die wirksamsten Elektrokatalysatoren für die Wasserstoff-Evolutionsreaktion (HER) mit niedrigem Überpotential, einer schnellen Reaktionsgeschwindigkeit und einem Betrieb bei hohen Stromdichten. 2 Aufgrund des hohen Preises und der niedrigen natürlichen Fülle, alTernative Nicht-Edelmetall-Katalysatoren sind erforderlich. Unter den beträchtlichen Mengen an alternativen, nicht kostbaren Übergangsmetallkatalysatoren haben sich 3 besonders Übergangsmetalldichalkogenide (MX 2 ; M = Metall, X = S, Se) als hohe Ionen-Aktivität erwiesen. 4 , 5 , 6 , 7 In dieser Hinsicht haben wir vor kurzem Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 als einen sehr langlebigen und aktiven "Rock" HER-Elektrokatalysator vorgestellt. Dieses natürliche Material ist unter sauren Bedingungen stabil und zeigt eine hohe intrinsische Leitfähigkeit mit einer wohldefinierten katalytischen aktiven Oberfläche. 8
Während zahlreiche Materialien mit hohen HER-Aktivitäten berichtet wurden, wird die Elektrodenpräparation oft mit mehreren Problemen begleitet, zB Reproduzierbarkeit und zufriedenstellende Stabilität (> 24 h). ZusätzlichY, da die intrinsische Leitfähigkeit von Übergangsmetall-basierten Katalysatoren in der Masse üblicherweise hoch ist, erfordert die Elektrodenherstellung nanostrukturierte Katalysatoren, um einen effizienten Elektronentransfer zu ermöglichen. Diese Katalysatoren werden dann in eine Katalysatortinte umgewandelt, die Bindemittel wie Nafion und den Katalysator enthält. Danach wird die Tinte auf eine inerte Elektrodenoberfläche ( z . B. glasartiger Kohlenstoff) getropft. Während bei niedrigen Stromdichten ein vernünftigerweise stabil ist, wird bei hohen Stromdichten ein erhöhter Kontaktwiderstand und eine mittlere Haftung des Katalysators auf dem Elektrodenträger häufig beobachtet. 9 Daher ist die Notwendigkeit für ausreichendere Vorbereitungsmethoden und Elektrodenmaterialien offensichtlich.
Dieses Protokoll stellt ein neuartiges Vorbereitungsverfahren für hochbeständige und kostengünstige Elektroden unter Verwendung von Schüttgütern vor. Die Voraussetzung für eine solche Elektrode ist eine geringe Eigenresistenz. Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 vollFüllt dieses Kriterium und kann aus den Elementen über eine einfache Hochtemperatursynthese in versiegelten Kieselsäureampullen gewonnen werden. Das erhaltene Material ist hinsichtlich seiner Struktur, Morphologie und Zusammensetzung unter Verwendung von Pulver-Röntgendiffraktometrie (PXRD), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) charakterisiert. Das synthetisierte Material wird verarbeitet, um zwei Arten von Bulk-Elektroden zu liefern, nämlich "Rock" und "Pellet" -Elektroden. Die Leistung beider Elektrodentypen wird dann unter Verwendung von elektrochemischen Standardtests und einer durch Gaschromatographie (GC) durchgeführten H 2 -Markifizierung untersucht. Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit beider Arten von Elektroden im Vergleich zu üblicherweise verwendeten Tropfenbeschichtungsversuchen wird vorgestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Synthese von Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 wurde in einer vakuumversiegelten Ampulle durchgeführt, um eine Oxidation des Materials während der Synthese zu verhindern. Während der Synthese ist die Temperaturregelung der Schlüssel, um ein reines Produkt zu erhalten. Der erste, sehr langsame Erwärmungsschritt verhindert dadurch eine Überhitzung des Schwefels, was zu einem Reißen der Ampulle aufgrund eines hohen Schwefeldrucks führen könnte. Noch wichtiger ist die Vermeidung von Phasenverun…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken B. Konkena und W. Schuhmann für wertvolle wissenschaftliche Diskussionen. Finanzielle Unterstützung durch den Fonds der Chemischen Industrie (Liebig-Stipendium an U.-PA) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Emmy Noether gewährt 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 | – | – | – |
Referências
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