طرق بسيطة لإعداد المعادن غير النبيلة السائبة الأقطاب لتطبيقات إليكتروكاتاليتيك
Summary
طريقة إعداد فاسيل من الأقطاب باستخدام المواد السائبة الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 . يوفر هذا الأسلوب تقنية بديلة لتصنيع القطب التقليدية ويصف المتطلبات الأساسية للمواد القطب غير تقليدية بما في ذلك طريقة الاختبار إليكتروكاتاليتيك مباشرة.
Abstract
تم تصنيع مادة بينتلانديت الصخور مع تكوين الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 عن طريق التوليف درجة حرارة عالية من العناصر. وقد تميز هيكل وتكوين المادة عن طريق حيود الأشعة السينية مسحوق (بسرد)، الطيفي موسبور (مب)، المجهر الإلكتروني الماسح (سيم)، قياس المسارات التفاضلية (دسك) والطيف تشتت الأشعة السينية (إدكس). يتم عرض اثنين من أساليب إعداد الأقطاب السائبة بنتلانديت. في النهج الأول يتم الاتصال مباشرة قطعة من الصخور بنتلانديت الاصطناعية مباشرة عن طريق الطويق الأسلاك. النهج الثاني يستخدم الكريات بينتلانديت، الضغط من مسحوق ناعم الأرض، وهو يجمد في غلاف تفلون. كل من الأقطاب الكهربائية، في حين يجري إعدادها من قبل طريقة خالية من المضافة، تكشف عن متانة عالية خلال التحويلات إليكتروكاتاليتيك بالمقارنة مع أساليب طلاء قطرة المشتركة. نحن هنا تسليط الضوء على أداء مذهل من هذه الأقطاب لإنجاز هيدروجين تطور رد الفعل (هر) وتقديم طريقة موحدة لتقييم أداء إليكتروكاتاليتيك بواسطة الكهروكيميائية والغاز طرق الكروماتوغرافي. وعلاوة على ذلك، فإننا الإبلاغ عن اختبارات الاستقرار عن طريق أساليب بوتنتيستاتيك في أوفيربوتنتيال من 0.6 V لاستكشاف القيود المادية من الأقطاب الكهربائية خلال التحليل الكهربائي تحت الظروف الصناعية ذات الصلة.
Introduction
إن تخزين مصادر الطاقة المتجددة المتقلبة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح له أهمية اجتماعية كبيرة بسبب الخبو التدريجي للوقود الأحفوري والحاجة اللاحقة إلى مصادر الطاقة البديلة. وفي هذا الصدد، يعتبر الهيدروجين مرشحا مستداما واعدة لحلول تخزين الطاقة الجزيئية بسبب عملية احتراق نظيفة. 1 بالإضافة إلى ذلك يمكن استخدام الهيدروجين كوقود أو كمواد بدء للوقود الأكثر تعقيدا، مثل الميثانول. والطريقة المفضلة لتوليف سهل الهيدروجين باستخدام موارد محايدة من الكربون هو الحد الكهروكيميائي للمياه باستخدام طاقات مستدامة.
حاليا، من المعروف أن البلاتين وسبائكه هي إليكتروكاتاليستس الأكثر فعالية لتفاعل رد الفعل الهيدروجين (هر) تظهر انخفاض القدرة الزائدة، ومعدل رد فعل سريع وتشغيل بكثافة الحالية العالية. 2 ومع ذلك، نظرا لارتفاع سعره وانخفاض وفرة الطبيعية، آلمطلوب محفزات معدنية غير نبيلة ثلاثية. ومن بين الكم الهائل من المحفزات المعدنية الانتقالية غير الثمينة البديلة، 3 خاصة ديكالكوجينيدس المعادن الانتقالية (مكس 2 ؛ M = المعادن؛ X = S، سي) وقد تبين أن تمتلك النشاط هر عالية. 4 ، 5 ، 6 ، 7 في هذا الصدد، قدمنا مؤخرا في 4.5 ني 4.5 S 8 باعتبارها دائمة للغاية ونشطة "الصخور" هر إليكتروكاتاليست. هذه المادة وفيرة طبيعيا مستقرة في ظل الظروف الحمضية ويظهر الموصلية الجوهرية عالية مع سطح نشط الحفاز محددة جيدا. 8
في حين تم الإبلاغ عن العديد من المواد ذات الأنشطة هر عالية، وغالبا ما يرافق إعداد الكهربائي مع مشاكل متعددة، على سبيل المثال استنساخ واستقرار مرضية (> 24 ساعة). Additionally، منذ التوصيلية الجوهرية من المواد الحفازة على أساس انتقال المعادن في الجزء الأكبر عادة ما تكون عالية، وإعداد الكهربائي يتطلب محفزات نانو منظم للسماح لنقل الإلكترون كفاءة. ثم يتم تحويل هذه المحفزات إلى حفاز حفاز يحتوي على مواد رابطة مثل نفيون والمحفز. بعد ذلك، الحبر هو المغلفة إسقاط على سطح القطب خامل ( مثل الكربون الزجاجي). في حين كونها مستقرة بشكل معقول في الكثافة الحالية المنخفضة زيادة مقاومة الاتصال والتصاق متواضع من حافزا على دعم القطب عادة ما يلاحظ في كثافة عالية الحالية. 9 ومن هنا، فإن الحاجة إلى أساليب إعداد أكثر كفاية والمواد القطب هو واضح.
يقدم هذا البروتوكول إجراء إعداد رواية لأقطاب دائمة للغاية وفعالة من حيث التكلفة باستخدام المواد السائبة. الشرط المسبق لمثل هذا القطب هو مقاومة المواد جوهرية منخفضة. في 4.5 ني 4.5 S 8 فوليملأ هذا المعيار ويمكن الحصول عليها من العناصر عن طريق التوليف بسيط ارتفاع درجة الحرارة في أمبولات السيليكا مختومة. وتتميز المادة التي تم الحصول عليها فيما يتعلق بهيكلها، التشكل وتكوينها باستخدام مسحوق الأشعة السينية ديفراكتوميتري (بسرد)، التفاضلية المسح الكالوري (دسك) والمجهر الإلكتروني المسح (سيم) والطاقة تشتت الطيفي الأشعة السينية (إدكس). تتم معالجة المواد المصنعة لتحمل نوعين من الأقطاب السائبة، وهما "الصخور" و "بيليه" أقطاب. ثم يتم التحقيق في أداء كل من أنواع القطب باستخدام الاختبارات الكهروكيميائية القياسية و H 2 الكمي يؤديها عن طريق الكروماتوغرافيا الغاز (غ). يتم عرض مقارنة بين أداء كلا النوعين من الأقطاب بالمقارنة مع التجارب التي تستخدم عادة طلاء قطرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم إجراء تركيب الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 في أمبولة فراغ مختومة لمنع أكسدة المواد أثناء التوليف. خلال التوليف، التحكم في درجة الحرارة هو المفتاح للحصول على منتج نقي. أول، خطوة التدفئة بطيئة جدا وبالتالي يمنع سوبيرهاتينغ من الكبريت، والتي قد تتسبب في تكسير أم?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر B. كونكينا أوند W. ششهمان للمناقشات العلمية القيمة. الدعم المالي من قبل فوندز للصناعة الكيميائية (منحة ليبيغ إلى U- السلطة الفلسطينية) ودويتش فورسشونغزجيمينشافت (منحة إيمي نويثر إلى الولايات المتحدة والسلطة الفلسطينية، 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
- 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).
