Metodi semplici per la preparazione di elettrodi di metallo non nobili per applicazioni elettrocatalitiche
Summary
Viene presentato un metodo di preparazione facile degli elettrodi utilizzando il materiale sfuso Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 . Questo metodo fornisce una tecnica alternativa alla fabbricazione di elettrodi convenzionali e descrive i prerequisiti per i materiali di elettrodi non convenzionali, incluso un metodo di prova elettrocatalitico diretto.
Abstract
Il pentlandite di materiale roccia con la composizione Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 è stato sintetizzato mediante sintesi ad alta temperatura dagli elementi. La struttura e la composizione del materiale sono stati caratterizzati mediante la diffusione a raggi X a polvere (PXRD), la spettroscopia Mössbauer (MB), la microscopia elettronica a scansione (SEM), la calorimetria di scansione differenziale (DSC) e la spettroscopia a raggi X dispersivi a energia (EDX). Sono presentati due metodi di preparazione degli elettrodi di massa pentlandite. Nel primo approccio un pezzo di roccia sintetica di pentlandite viene direttamente contattato tramite un filo metallico. Il secondo approccio utilizza pellet pentlandite, pressato da polvere finemente macinata, immobilizzata in un involucro in teflon. Entrambi gli elettrodi, pur essendo preparati con un metodo privo di additivi, rivelano un'elevata durabilità durante le conversioni elettrocatalitiche rispetto ai comuni metodi di rivestimento a goccia. Qui di seguito mostriamo la prestazione impressionante di tali elettrodi per realizzare l'id(HER) e presenta un metodo standardizzato per valutare la prestazione elettrocatalitica mediante metodi elettrochimici e gascromatografici. Inoltre, segnalamo i test di stabilità mediante metodi potenziostatici ad un sovrapotenza di 0,6 V per esplorare le limitazioni materiali degli elettrodi durante l'elettrolisi in condizioni industriali rilevanti.
Introduction
Lo stoccaggio di fonti energetiche rinnovabili come l'energia solare ed eolica è di notevole interesse sociale a causa della graduale dissolvenza dei combustibili fossili e della conseguente necessità di fonti energetiche alternative. A questo proposito, l'idrogeno è un promettente candidato sostenibile per una soluzione di stoccaggio di energia molecolare a causa di un processo di combustione pulita. Inoltre, l'idrogeno potrebbe essere utilizzato come combustibile o come materiale di partenza per combustibili più complessi, ad esempio metanolo. Il metodo preferito per una facile sintesi dell'idrogeno utilizzando risorse carbon neutral è la riduzione elettrochimica dell'acqua usando energie sostenibili.
Attualmente, il platino e le sue leghe sono noti per essere gli elettrocatalizzatori più efficaci per la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) che presentano un basso potenziale, un tasso di reazione veloce e un funzionamento a densità di corrente elevata. 2 Tuttavia, a causa del suo elevato prezzo e della bassa abbondanza naturale, alSono richiesti catalizzatori di metalli non nobili ternativi. Tra la grande quantità di catalizzatori di metallo di transizione alternativi non preziosi, sono state dimostrate che 3 decalcogenidi di metallo di transizione (MX 2 , M = Metallo, X = S, Se) hanno un'alta attività HER. 4 , 5 , 6 , 7 A questo proposito, abbiamo recentemente presentato Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 come un elettrocatalizzatore HER altamente resistente e attivo. Questo materiale naturalmente abbondante è stabile in condizioni acide e mostra una elevata conducibilità intrinseca con una superficie attiva catalitica ben definita. 8
Mentre sono stati riportati numerosi materiali con elevate attività HER, la preparazione dell'elettrodo è spesso accompagnata da molteplici problemi, ad esempio riproducibilità e stabilitá soddisfacenti (> 24 h). AdditionallPoiché la conducibilità intrinseca dei catalizzatori a base di metalli di transizione in bulk è di solito elevata, la preparazione dell'elettrodo richiede catalizzatori nano-strutturati per consentire un efficiente trasferimento di elettroni. Questi catalizzatori vengono quindi convertiti in un inchiostro di catalizzatore contenente leganti come Nafion e il catalizzatore. Successivamente, l'inchiostro viene rivestito a goccia su una superficie di elettrodo inerte ( ad es. Carbonio vetroso). Pur essendo ragionevolmente stabili a basse densità di corrente, un'alta resistenza di contatto e un'adeguata adesione del catalizzatore sul supporto dell'elettrodo sono comunemente osservate a densità di corrente elevata. 9 Quindi, è evidente la necessità di metodi di preparazione e materiali di elettrodo più adeguati.
Questo protocollo presenta una nuova procedura di preparazione per elettrodi ad alta durevolezza ed economicità che utilizzano materiali sfusi. Il prerequisito per un tale elettrodo è una resistenza dei materiali intrinseci bassi. Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 fulRiempie questo criterio e può essere ottenuto dagli elementi attraverso una semplice sintesi ad alta temperatura in fiale di silice sigillata. Il materiale ottenuto è caratterizzato per la sua struttura, la sua morfologia e la sua composizione utilizzando la diffrazione in polvere Xray (PXRD), la differenziazione di scansione calorimetrica (DSC), la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la spettroscopia a dispersione energetica Xray (EDX). Il materiale sintetizzato viene lavorato per consentire due tipi di elettrodi di massa, cioè elettrodi "rock" e "pellet". La prestazione di entrambi i tipi di elettrodi viene poi analizzata usando test elettrochimici standard e quantificazione H 2 effettuata mediante gas cromatografia (GC). Viene presentato un confronto delle prestazioni di entrambi i tipi di elettrodi in confronto agli esperimenti di rivestimento a goccia comunemente usati.
Protocol
Representative Results
Discussion
La sintesi di Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 è stata eseguita in un vasi sigillato per evitare l'ossidazione del materiale durante la sintesi. Durante la sintesi, il controllo della temperatura è la chiave per ottenere un prodotto puro. La prima fase di riscaldamento molto lenta impedisce così il surriscaldamento dello zolfo, che potrebbe causare cracking dell'ampolla a causa di una pressione di zolfo elevata. Ancora più cruciale è la prevenzione delle impurezze di fase come soluzioni so…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo B. Konkena e W. Schuhmann per le preziose discussioni scientifiche. Supporto finanziario da parte dei Fondi dell'industria chimica (Liebig concedere U.-PA) e Deutsche Forschungsgemeinschaft (Emmy Noether concessione a 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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