שיטות פשוטות להכנת הלא אצילי מתכת בתפזורת אלקטרודות עבור יישומים Electrocatalytic
Summary
שיטה הכנה עדינה של אלקטרודות באמצעות חומר בתפזורת Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 מוצג. שיטה זו מספקת טכניקה חלופית כדי ייצור אלקטרודה קונבנציונאלי ומתאר תנאים מוקדמים עבור חומרים אלקטרודה בלתי קונבנציונאלי כולל בדיקה פשוטה שיטת electrocatalytic.
Abstract
סלע חומר pentlandite עם הרכב Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 היה מסונתז באמצעות סינתזה בטמפרטורה גבוהה מן האלמנטים. המבנה וההרכב של החומר מאופיינים באמצעות עקיפה של אבקת קרני X (PXRD), ספקטרוסקופיית Mössbauer (MB), מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), סריקת calorimetry דיפרנציאלית (DSC) ואנרגיית רנטגן ספקטרוסקופית רנטגן (EDX). שתי שיטות הכנה של אלקטרודות בתפזורת pentlandite מוצגים. בגישה הראשונה חתיכת סלע pentlandite סינטטי הוא פנה ישירות באמצעות טבעת חוטי. הגישה השנייה משתמשת pellandite pellets, לחוץ מאבקה הקרקע דק, אשר משותקת בתוך מעטפת טפלון. שתי האלקטרודות, בעת היותן מוכנות בשיטה ללא תוסף, חושפות עמידות גבוהה במהלך המרות אלקטרוליטי בהשוואה לשיטות נפילה ציפוי. אנו כאן להציג את הביצועים המרשימים של אלקטרודות כאלה כדי להשיג את היד(HER) ומציגה שיטה סטנדרטית להערכת הביצועים האלקטרו – אקליטיים באמצעות שיטות אלקטרו – כימיות וגז כרומטוגרפיות. יתר על כן, אנו מדווחים בדיקות יציבות באמצעות שיטות potentiostatic ב overpotential של 0.6 V לחקור את מגבלות החומר של האלקטרודות במהלך אלקטרוליזה בתנאים תעשייתיים רלוונטיים.
Introduction
האחסון של מקורות אנרגיה מתחדשים משתנה כגון אנרגיית השמש והרוח הוא בעל עניין חברתי משמעותי בשל הדעיכה ההדרגתית של דלקים פוסיליים והצורך הבא של מקורות אנרגיה חלופיים. בהקשר זה, מימן הוא מועמד בר קיימא מבטיח עבור פתרון אחסון אנרגיה מולקולרית בגלל תהליך הבעירה נקי. 1 בנוסף מימן יכול לשמש דלק או כחומר המוצא עבור דלקים מורכבים יותר, למשל מתנול. הדרך המועדפת לסינתזה של מימן באמצעות משאבי פחמן ניטרליים היא הפחתה אלקטרוכימית של מים באמצעות אנרגיות בת קיימא.
נכון לעכשיו, פלטינה וסגסוגות שלה ידועים להיות electrocatalysts היעיל ביותר עבור התגובה אבולוציה מימן (HER) מראה נמוך מעל פוטנציאל, שיעור תגובה מהירה המבצע בצפיפויות הנוכחי גבוהה. 2 עם זאת, בשל המחיר הגבוה שלה ואת השפע הטבעי הנמוך, אלזרזים מתכת לא אצילי שאינם נדרשים. בין כמות עצומה של זרזים מעבר מתכות אלטרנטיביות לא-יקרות, 3 במיוחד המעבר dichalcogenides מתכת (MX 2 , M = מתכת, X = S, SE) הוכחו להיות בעל פעילות גבוהה. 4 , 5 , 6 , 7 בהקשר זה, הצגנו לאחרונה Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 כמו עמיד מאוד פעיל "רוק" שלה electrocatalyst. זה חומר בשפע טבעי יציב בתנאים חומצי מראה מוליכות פנימית גבוהה עם משטח פעיל מוגדרת היטב קטליטי. 8
בעוד חומרים רבים עם פעילות גבוהה HER דווחו, הכנת אלקטרודה מלווה לעתים קרובות עם בעיות מרובות, למשל reproducibility ושביעות רצון מספקת (> 24 שעות). תוספתY, מאז המוליכות המהותית של זרזים המעבר מתכת בתפזורת הוא בדרך כלל גבוה, הכנה אלקטרודה דורש זרזים מובנים ננו כדי לאפשר העברת אלקטרונים יעילה. זרזים אלה מומרים אז לתוך זרז דיו המכיל קלסרים כגון Nafion ואת הזרז. לאחר מכן, הדיו הוא טיפה מצופה על משטח אלקטרודה אינרטי ( למשל פחמן מזוגגות). בעוד יציבה סבירה בצפיפויות הנוכחי נמוך התנגדות מוגברת הקשר הדבקה בינונית של הזרז על תמיכה אלקטרודה הוא ציין בדרך כלל בצפיפויות הנוכחי גבוה. 9 לפיכך, הצורך שיטות הכנה מספקת יותר וחומרים אלקטרודה ניכר.
פרוטוקול זה מציג הליך הכנה רומן עבור אלקטרודות עמידות ועלות גבוהה באמצעות חומרים בתפזורת. תנאי מוקדם עבור אלקטרודה כזו היא התנגדות חומרים פנימי נמוך. Fe 4.5 Ni 4.5 פול S 8ממלא קריטריון זה ניתן לקבל מן האלמנטים באמצעות סינתזה פשוטה בטמפרטורה גבוהה ב ampules סיליקה אטום. החומר המתקבל מאופיין במבנהו, במורפולוגיה ובהרכבו באמצעות אבקת Xrey diffractometry (PXRD), סריקת קלורימטרי דיפרנציאלית (DSC), סריקת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) ואנרגיה ספקטרוסקופיית Xray (EDX). החומר מסונתז מעובד כדי להרשות לעצמם שני סוגים של אלקטרודות בתפזורת, כלומר "רוק" ו "גלולה" אלקטרודות. הביצועים של שני סוגי האלקטרודה נחקרת לאחר מכן באמצעות בדיקות אלקטרוכימיות סטנדרטיות וכימות H 2 שבוצעו באמצעות כרומטוגרפיה גז (GC). השוואה של הביצועים של שני סוגים של אלקטרודות בהשוואה ניסויים נפוץ ציפוי ירידה מוצג.
Protocol
Representative Results
Discussion
סינתזה של Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 בוצע אמפר אטום ואקום כדי למנוע חמצון של החומר במהלך סינתזה. במהלך הסינתזה, בקרת הטמפרטורה היא המפתח לקבלת מוצר טהור. הצעד הראשון, איטי מאוד, ובכך מונע superheating של גופרית, אשר עלול לגרום פיצוח של אמפול עקב לחץ גופרית גבוהה. אפילו יותר …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים B. Konkena ו W. Schuhmann עבור דיונים מדעיים יקרי ערך. תמיכה כספית על ידי Fonds של התעשייה הכימית (מענק Liebig ל U.-PA) ואת דויטשה Forschungsgemeinschaft (אמי Noether מענק ל 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 | – | – | – |
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).
