전기 촉매 응용을위한 비 귀금속 벌크 전극 준비를위한 간단한 방법
Summary
벌크 물질 Fe 4.5 Ni 4.5 S 8을 사용하는 전극의 준비 방법이 제시된다. 이 방법은 기존의 전극 제조에 대한 대체 기술을 제공하고 직접적인 전기 촉매 테스트 방법을 포함한 비 통상적 인 전극 재료에 대한 전제 조건을 설명합니다.
Abstract
Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 조성을 갖는 암석 물질 펜던트 라이트는 원소로부터 고온 합성을 통해 합성되었다. 재료의 구조 및 조성은 분말 X 선 회절 (PXRD), 뫼스 바우어 분광학 (MB), 주사 전자 현미경 (SEM), 시차 주사 열량계 (DSC) 및 에너지 분산 X 선 분광법 (EDX)을 통해 특성 분석되었다. pentlandite 벌크 전극의 두 가지 준비 방법이 제시됩니다. 첫 번째 방법에서는 합성 펜틀 라이트 암석 조각을 와이어 페룰을 통해 직접 접촉시킵니다. 두 번째 접근법은 테플론 (Teflon) 외장재에 고정화 된 미세하게 분쇄 된 분말로부터 가압 된 펜단 랜트 펠릿 (pentlandite pellets)을 사용한다. 첨가제가없는 방법으로 준비되는 동안 두 전극 모두 일반적인 드롭 코팅 방법과 비교하여 전기 촉매 전환 동안 높은 내구성을 나타냅니다. 우리는 여기에 hyd를 달성하기위한 전극의 현저한 성능을 보여줍니다(electrochemical) 및 가스 크로마토 그래피 (gas chromatography) 방법에 의한 전기 촉매 성능을 평가하기위한 표준화 된 방법을 제시한다. 또한 산업 관련 조건에서 전기 분해시 전극의 물질적 한계를 조사하기 위해 0.6V의 과전압에서 전위차 방법을 통한 안정성 테스트를보고합니다.
Introduction
태양 및 풍력 에너지와 같은 변동 가능한 신 재생 에너지 원의 저장은 화석 연료의 점차적 인 퇴색과 대체 에너지 원의 필요성으로 인해 중요한 사회적 관심사입니다. 이와 관련하여 수소는 깨끗한 연소 과정으로 인해 분자 에너지 저장 솔루션의 유망한 지속 가능한 후보입니다. 또한 수소는 연료 또는 메탄올과 같은 보다 복잡한 연료의 출발 물질로 사용될 수 있습니다. 탄소 중립 자원을 사용하여 수소를 쉽게 합성하는 바람직한 방법은 지속 가능한 에너지를 사용하여 물을 전기 화학적으로 환원시키는 것입니다.
현재 백금과 그 합금은 낮은 과전압, 빠른 반응 속도 및 높은 전류 밀도에서의 작동을 보여주는 수소 발생 반응 (HER)에 가장 효과적인 전기 촉매로 알려져있다. 그러나 그 높은 가격과 낮은 천연 풍부 때문에, 알3 원 비 귀금속 촉매가 필요하다. 엄청난 양의 대체 비 귀금속 전이 금속 촉매 중에서도 특히 전이 금속 디 칼 코게 나이드 (MX 2 , M = 금속, X = S, Se)가 높은 HER 활성을 갖는 것으로 나타났습니다. 4 , 5 , 6 , 7 이와 관련하여 우리는 최근 Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 을 내구성이 강하고 활동적인 '암반 HER 전극 촉매로 제시했다. 이 자연적으로 풍부한 물질은 산성 조건 하에서 안정하고 잘 정의 된 촉매 활성 표면으로 높은 고유 전도도를 나타낸다. 8
높은 HER 활동을하는 많은 재료가보고되었지만 전극 준비에는 종종 재현성과 만족스러운 안정성 (> 24 시간)과 같은 여러 문제가 수반됩니다. 추가 전체y는 전이 금속 기반 촉매의 벌크 전도율이 대개 높기 때문에 전극 준비는 효율적인 전자 전달을 위해 나노 구조 촉매가 필요합니다. 이들 촉매는 Nafion 및 촉매와 같은 결합제를 함유하는 촉매 잉크로 전환된다. 그 후 잉크는 불활성 전극 표면 ( 예 : 유리상 탄소)에 떨어 뜨려 코팅됩니다. 저 전류 밀도에서 비교적 안정한 반면에, 전극 지지체 상에 증가 된 접촉 저항 및 평범한 접착력은 일반적으로 고전류 밀도에서 관찰된다. 따라서,보다 충분한 제조 방법 및 전극 재료에 대한 필요성이 분명하다.
이 프로토콜은 벌크 재료를 사용하여 내구성이 높고 비용 효율적인 전극을위한 새로운 준비 절차를 제시합니다. 이러한 전극의 전제 조건은 내재적 인 물질 내성이 낮다는 것입니다. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 ful이 기준을 채우고 밀봉 된 실리카 앰플에서 간단한 고온 합성을 통해 원소로부터 얻을 수 있습니다. 수득 된 물질은 분말 X 선 회절 분석 (PXRD), 시차 주사 열량계 (DSC), 주사 전자 현미경 (SEM) 및 에너지 분산 X 선 분광법 (EDX)을 사용하여 그 구조, 형태 및 조성에 대해 특징 지워진다. 합성 된 물질은 두 종류의 벌크 전극, 즉 '암석 (rock)'및 '펠릿 (pellet)'전극을 제공하도록 처리된다. 두 전극 유형의 성능은 표준 전기 화학적 시험과 가스 크로마토 그래피 (GC)를 통한 H 2 정량 분석을 사용하여 조사됩니다. 일반적으로 사용되는 드롭 코팅 실험과 비교하여 두 가지 유형의 전극의 성능을 비교합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 의 합성은 합성 과정에서 물질의 산화를 방지하기 위해 진공 밀봉 된 앰풀에서 수행되었다. 합성 중에 온도 조절은 순수한 제품을 얻는 열쇠입니다. 첫 번째, 매우 느린 가열 단계는 높은 유황 압력으로 인해 앰풀의 균열을 일으킬 수있는 황의 과열을 방지합니다. 더욱 중요한 것은 샘플의 느린 가열에 의한 단일 황화물 고용체 (mss)와 같은 상 불순물의 방지?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
소중한 과학적 토론을 위해 B. Konkena와 W. Schuhmann에게 감사드립니다. 화학 산업 협회 (Liebig grant to U.-PA)와 Deutsche Forschungsgemeinschaft (U.-PA, AP242 / 2-1에 대한 Emmy Noether 부여)의 재정 지원.
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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