Простые методы получения неблагородных металлических навалочных электродов для электрокаталитических применений
Summary
Представлен метод упрочнения электродов с использованием объемного материала Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 . Этот метод обеспечивает альтернативный метод традиционного изготовления электродов и описывает предпосылки для нетрадиционных электродных материалов, включая простой метод электрокаталитического тестирования.
Abstract
Материал пентандитата каменного порошка с составом Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 синтезировали с помощью высокотемпературного синтеза из элементов. Структура и состав материала были охарактеризованы с помощью порошковой рентгеновской дифракции (PXRD), мессбауэровской спектроскопии (МБ), сканирующей электронной микроскопии (SEM), дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). Представлены два метода получения пентландитовых объемных электродов. В первом подходе кусок синтетической пентландитной породы непосредственно контактирует через проволочный наконечник. Второй подход использует гранулы пентландита, прессованные из тонко измельченного порошка, который иммобилизуется в тефлоновой оболочке. Оба электрода, будучи подготовлены методом без добавки, показывают высокую долговечность при электрокаталитических превращениях по сравнению с обычными методами нанесения покрытия. В данном случае мы продемонстрировали поразительные характеристики таких электродов для достижения(HER) и представляет собой стандартизованный метод оценки электрокаталитических характеристик методами электрохимической и газовой хроматографии. Кроме того, мы сообщаем тесты стабильности с помощью потенциостатических методов при перенапряжении 0,6 В для изучения материальных ограничений электродов во время электролиза в промышленных условиях.
Introduction
Хранение флуктуирующих возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра, представляет значительный социальный интерес из-за постепенного исчезновения ископаемого топлива и последующей потребности в альтернативных источниках энергии. В этом отношении водород является перспективным устойчивым кандидатом на решение для хранения молекулярных энергий из-за чистого процесса сжигания. 1 Кроме того, водород можно использовать в качестве топлива или в качестве исходного материала для более сложных видов топлива, например метанола. Предпочтительным способом для легкого синтеза водорода с использованием нейтральных углеродных ресурсов является электрохимическое восстановление воды с использованием устойчивых энергий.
Известно, что платина и ее сплавы являются наиболее эффективными электрокатализаторами для реакции выделения водорода (HER), демонстрирующей низкий избыточный потенциал, высокую скорость реакции и работу при высоких плотностях тока. 2 Однако из-за его высокой цены и низкого естественного изобилия, alТребуются катализаторы из неблагородных металлов. Было показано, что среди огромного количества альтернативных недрагоценных катализаторов на основе переходных металлов 3, особенно дихалькогениды переходных металлов (MX 2 , M = металл, X = S, Se) обладают высокой активностью HER. 4 , 5 , 6 , 7. В этом отношении мы недавно представили Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 в качестве высокопрочного и активного «каталитического» электрокатализатора HER. Этот природно обильный материал устойчив в кислых условиях и демонстрирует высокую удельную проводимость с хорошо определенной каталитической активной поверхностью. 8
В то время как сообщалось о многочисленных материалах с высокой активностью HER, препарат электрода часто сопровождается множеством проблем, например, воспроизводимость и удовлетворительная стабильность (> 24 часа). AdditionallY, поскольку внутренняя проводимость катализаторов на основе переходных металлов в объеме обычно высока, для подготовки электрода требуются наноструктурированные катализаторы для обеспечения эффективного переноса электрона. Эти катализаторы затем превращают в каталитическую краску, содержащую связующие вещества, такие как Нафион и катализатор. Впоследствии чернила покрываются слоем на поверхности инертного электрода ( например, стеклообразный углерод). В то время как они достаточно устойчивы при малых плотностях тока, повышенная контактная прочность и посредственная адгезия катализатора на подложке электрода обычно наблюдаются при больших плотностях тока. Таким образом, очевидна необходимость в более достаточных способах подготовки и материалах электродов.
Этот протокол представляет собой новую процедуру получения высокопрочных и экономичных электродов с использованием сыпучих материалов. Предпосылкой для такого электрода является низкое сопротивление исходных материалов. Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 фулЗаполняет этот критерий и может быть получен из элементов посредством простого высокотемпературного синтеза в герметичных кремнеземных ампулах. Полученный материал характеризуется по своей структуре, морфологии и составу с использованием дифрактометрии порошка Xray (PXRD), дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), сканирующей электронной микроскопии (SEM) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX). Синтезированный материал обрабатывают, чтобы получить два типа объемных электродов, а именно электроды «рок» и «таблетка». Производительность обоих типов электродов затем исследуется с использованием стандартных электрохимических испытаний и количественной оценки Н 2, проводимых с помощью газовой хроматографии (ГХ). Представлено сравнение характеристик обоих типов электродов по сравнению с широко используемыми экспериментами по покрытию.
Protocol
Representative Results
Discussion
Синтез Fe 4,5 Ni 4,5 S 8 проводили в вакуум-герметичной ампуле для предотвращения окисления материала во время синтеза. Во время синтеза контроль температуры является ключом к получению чистого продукта. Первая, очень медленная ступень нагрева, тем самым предотвращает пере…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Б. Конкену и У. Шумана за ценные научные обсуждения. Финансовая поддержка Фондами химической промышленности (грант Liebig для U.-PA) и Deutsche Forschungsgemeinschaft (грант Emmy Noether для 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).
