電気化学的応用のための非貴金属バルク電極の調製のための簡単な方法
Summary
バルク材料Fe 4.5 Ni 4.5 S 8を用いた電極の容易な製造法が提示されている。この方法は、従来の電極製造に代わる技術を提供し、直接的な電極触媒試験方法を含む非従来の電極材料の前提条件を記載する。
Abstract
Fe 4.5 Ni 4.5 S 8組成の岩石ペントラン石は、元素からの高温合成によって合成された。粉末X線回折（PXRD）、メスバウアー分光法（MB）、走査型電子顕微鏡（SEM）、示差走査熱量測定（DSC）およびエネルギー分散型X線分光法（EDX）によって構造および組成を特徴付けた。ペントランナイトバルク電極の2つの調製方法が提示されている。第1のアプローチでは、合成ペントランダイト岩片をワイヤフェルールを介して直接接触させる。第2のアプローチは、テフロン（登録商標）のケーシングに固定化された細かく粉砕された粉末から圧縮されたペンタランド石ペレットを利用する。両方の電極は、添加剤を含まない方法によって調製されているが、一般的な液滴コーティング法と比較して、電極触媒転化中に高い耐久性を示す。本明細書では、このような電極の顕著な性能を示して、電気化学的およびガスクロマトグラフィー法による電極触媒性能を評価するための標準化された方法を提示する。さらに、産業関連の条件下で電解中の電極の材料限界を調べるために、0.6Vの過電圧での定電位法による安定性試験を報告する。
Introduction
太陽光や風力エネルギーのような変動する再生可能エネルギー源の貯蔵は、化石燃料の漸進的な退色とその後の代替エネルギー源の必要性のために重要な社会的関心事である。この点で、水素は、きれいな燃焼プロセスのために、分子エネルギー貯蔵溶液の有望な持続可能な候補である。さらに水素は燃料として、またはより複雑な燃料、 例えばメタノールのための出発物質として使用することができる。炭素中性資源を使用する水素の容易な合成のための好ましい方法は、持続可能なエネルギーを用いた水の電気化学的還元である。
現在、白金およびその合金は、低過電圧、高速反応速度および高電流密度での動作を示す水素発生反応（HER）のための最も有効な電極触媒であることが知られている。しかし、その高い価格と低い天然存在量のために、三元非貴金属触媒が必要である。膨大な量の代替的な非貴金属遷移金属触媒のうち、 3つの特に遷移金属ジカルコゲナイド（MX 2 ; M =金属; X = S、Se）が高いHER活性を有することが示されている。この点に関して、我々は最近、耐久性があり活発な「岩石」HER電極触媒として、Fe 4.5 Ni 4.5 S 8を提示した。この天然に豊富な物質は、酸性条件下で安定であり、明確な触媒活性表面を有する高い固有の導電性を示す。 8
高いHER活性を有する多数の材料が報告されているが、電極の調製には、再現性および満足のいく安定性（> 24時間）などの複数の問題が伴うことが多い。その他yでは、遷移金属ベースの触媒のバルクにおける固有の導電率が通常高いので、電極調製は、効率的な電子移動を可能にするナノ構造触媒を必要とする。次いで、これらの触媒を、ナフィオン（Nafion）および触媒のような結合剤を含有する触媒インクに変換する。その後、インクは不活性電極表面（ 例えば、ガラス状炭素）上に滴下被覆される。低電流密度で適度に安定であるのに対して、電極支持体上の接触抵抗の増加および触媒の穏やかな接着は、通常、高電流密度で観察される。したがって、より十分な調製方法および電極材料の必要性が明らかである。
このプロトコルは、バルク材料を使用して、耐久性が高く費用効果の高い電極のための新規な調製手順を提示する。このような電極の前提条件は、固有抵抗が低いことである。 Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 fulこの基準を満たし、密封シリカアンプル中での単純な高温合成によって要素から得ることができる。得られた材料は、粉末X線回折測定（PXRD）、示差走査熱量測定（DSC）、走査電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散X線分光法（EDX）を用いて、その構造、形態および組成に関して特徴付けられる。合成された材料は、2つのタイプのバルク電極、すなわち「岩石」および「ペレット」電極を与えるように処理される。次いで、標準電気化学試験およびガスクロマトグラフ（GC）によるH 2定量を使用して、両方の電極タイプの性能を調べる。一般的に使用される液滴コーティング実験と比較して、両方のタイプの電極の性能の比較を示す。
Protocol
Representative Results
Discussion
Fe 4.5 Ni 4.5 S 8の合成は、合成中の材料の酸化を防ぐために、真空密封アンプル中で行った。合成中、温度制御は純粋な生成物を得るための鍵である。第1の非常に遅い加熱工程により、硫黄の過熱が防止され、高い硫黄圧によるアンプルの割れを引き起こす可能性がある。さらに重要なことは、サンプルのゆっくりとした加熱による一硫化物固溶体（mss）のような相不…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
B. KonkenaとW. Schuhmannに貴重な科学的討論をさせていただきました。化学産業の池（Liebig grant to U.-PA）とDeutsche Forschungsgemeinschaft（U.-PA、AP242 / 2-1へのEmmy Noether付与）による資金援助。
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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