Die elektrokatalytische Reaktionstechnologie ist eine der Schlüsselmethoden, die diese Energieumwandlungs- und Umweltreinigungswege antreibt.
In den letzten Jahren sind mit der Entwicklung der Gesellschaft und dem Fortschritt der Menschheit zunehmend schwerwiegende Energie- und Umweltprobleme zu einem weltweiten Problem geworden, das dringend gelöst werden muss. Die Menschen setzen sich für die effektive Nutzung neuer Energiequellen und nachhaltige Reinigungsmethoden der Umwelt ein. Die aktuellen effektiven Forschungsmethoden zur Förderung der Energieumwandlung und Umweltreinigung umfassen viele Richtungen, wie z. B. die Entwicklung von Brennstoffzellen, die Wasserstoffproduktion, die CO2-Ressource und die organische katalytische Umwandlung von Abgas. Die elektrochemischen Testmethoden als theoretischer Leitfaden bieten eine rationale Interpretationshilfe für die Entwicklung der Elektrokatalysatorleistung. Dieses Papier fasst die elektrochemischen Testmethoden zusammen, die üblicherweise in mehreren elektrochemischen Reaktionen verwendet werden.
Abbildung 1 Elektrokatalytischer Prozess zur nachhaltigen Energieumwandlung

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1.zyklische Voltammetrie

Zyklische Voltammetrie (CV) ist die am häufigsten verwendete Forschungsmethode zur Bewertung unbekannter elektrochemischer Systeme. Sie wird hauptsächlich durch Steuern des Elektrodenpotentials mit unterschiedlichen Raten und ein- oder mehrmaliges Scannen mit einer dreieckigen Wellenform über die Zeit erhalten. Strom-Potential-Kurve (iE). An den Elektroden können in unterschiedlichen Potentialbereichen abwechselnd unterschiedliche Reduktions- und Oxidationsreaktionen ablaufen. Die Reversibilität der Elektrodenreaktion kann anhand des Kurvenverlaufs beurteilt werden; die Adsorptions- und Desorptionspeaks der Reaktanten können zur Bewertung des Elektrokatalysators nach dem spezifischen Potentialbereich verwendet werden. Der katalytisch aktive Bereich kann auch genutzt werden, um nützliche Informationen über komplexe Elektrodenreaktionen zu erhalten.
Abbildung 1.1 Scan-Strompotential-Antwortkurve

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Wie in Abb. 1.1 gezeigt, wird das Potential der ersten Hälfte in Richtung der Kathode gescannt, und die elektroaktive Substanz wird an der Elektrode reduziert, um eine Reduktionswelle zu erzeugen. Wenn das Potential der letzteren Hälfte in Richtung der Anode abgetastet wird, wird das Reduktionsprodukt erneut an der Elektrode oxidiert, um eine Oxidationswelle zu erzeugen. Zwei nützliche Parameter der zyklischen Voltammetrie-iE-Kurve sind das Spitzenstromverhältnis ipa/ipc und die Spitzenpotentialdifferenz Epa-Epc. Für die Nernstwelle des stabilen Produktes ist das Spitzenstromverhältnis ipa/ipc = 1, unabhängig von Scangeschwindigkeit, Diffusionskoeffizient und Kommutierungspotential. Wenn die Kathodenabtastung gestoppt wird, wird der Strom auf 0 verringert und dann die Abtastung umgekehrt. Die erhaltene iE-Kurve ist genau die gleiche wie die Kathodenkurve, aber in der entgegengesetzten Richtung der I-Koordinate und der E-Koordinate gezeichnet. Das Verhältnis ipa/ipc weicht von 1 ab, was anzeigt, dass der Elektrodenprozess kein vollständig reversibler Reaktionsprozess mit homogener Kinetik oder anderen Komplikationen ist. Die Höhe und Fläche des Reaktionspeaks können verwendet werden, um Systemparameter wie die Konzentration elektroaktiver Spezies oder die Geschwindigkeitskonstante der gekoppelten homogenen Reaktion abzuschätzen. Die CV-Kurve ist jedoch keine ideale quantitative Methode, und ihr starker Nutzen liegt eher in ihrer qualitativen halbquantitativen Beurteilungsfähigkeit.

2.Pulsvoltammetrie

Die Pulsvoltammetrie ist ein elektrochemisches Messverfahren, das auf dem Verhalten polarographischer Elektroden basiert. Es wird verwendet, um den Redoxprozess in verschiedenen Medien, die Adsorption von Oberflächenmaterialien auf Katalysatormaterialien und den Elektronenübertragungsmechanismus auf der Oberfläche chemisch modifizierter Elektroden zu untersuchen. Die Erkennung ist besonders effektiv. Pulsvoltammetrie umfasst Stufenvoltammetrie, herkömmliche Pulsvoltammetrie, differentielle Pulsvoltammetrie und Rechteckwellenvoltammetrie, je nachdem, wie die Spannung abgetastet wird. Unter ihnen ist die Stufenvoltammetrie der Potential-Sweep-Methode ähnlich, und die Reaktion der meisten Systeme auf die höhere Auflösung (ΔE < 5 mV) des Stufen-Volt-Ampere ist den Ergebnissen des linearen Scan-Experiments mit der gleichen Scan-Geschwindigkeit sehr ähnlich.

3. Elektrochemische Impedanzspektroskopie

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie besteht darin, ein gestörtes elektrisches Signal an das elektrochemische System anzulegen. Im Gegensatz zum linearen Abtastverfahren ist das elektrochemische System weit vom Gleichgewichtszustand entfernt, und dann wird die Reaktion des Systems beobachtet und die elektrochemischen Eigenschaften des Systems werden durch das elektrische Antwortsignal analysiert. Elektrochemische Impedanzspektroskopie wird häufig verwendet, um die ORR-Reaktion in PEM-Brennstoffzellen zu analysieren, zu bewerten, den Diffusionsverlust an der Oberfläche des Katalysatormaterials zu charakterisieren, den ohmschen Widerstand abzuschätzen und die Eigenschaften der Ladungsübertragungsimpedanz und der Doppelschichtkapazität zu bewerten und zu optimieren die Membran-Elektroden-Einheit.
Das Impedanzspektrum wird üblicherweise in Form eines Bode-Diagramms und eines Nyquist-Diagramms gezeichnet. Im Bode-Diagramm sind Betrag und Phase der Impedanz als Funktion der Frequenz aufgetragen; im Nyquist-Diagramm ist an jedem Frequenzpunkt der Imaginärteil der Impedanz relativ zum Realteil aufgetragen. Der Hochfrequenzbogen spiegelt die Kombination aus der Doppelschichtkapazität der Katalysatorschicht, der effektiven Ladungsübertragungsimpedanz und dem ohmschen Widerstand wider, der die durch Stoffübertragung erzeugte Impedanz widerspiegelt. Für ein bestimmtes System sind die beiden Bereiche manchmal nicht gut definiert.
Abbildung 3.1 Impedanzspektrum des elektrochemischen Systems

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Abbildung 3.1 zeigt die extremen Eigenschaften der kinetischen Kontrolle und der Stofftransportkontrolle. Für jedes gegebene System sind die beiden Bereiche jedoch wahrscheinlich nicht gut definiert. Ausschlaggebend ist das Verhältnis zwischen dem Ladungsübergangswiderstand und der Übertragungsimpedanz. Wenn das chemische System langsam in der Kinetik ist, zeigt es einen großen Rct, der einen sehr begrenzten Frequenzbereich zu haben scheint. Wenn das System dynamisch ist, spielt der Materialtransfer immer eine führende Rolle, und halbkreisförmige Bereiche sind schwer zu definieren.

4. Chronoamperometrie

Das Chronoamperometrie-Verfahren ist ein transientes Kontrollverfahren, das verwendet werden kann, um die Adsorption und Diffusion der Katalysatoroberfläche zu bewerten. Die Chronoamperometriekurve wird durch Anlegen einer Potentialstufe an das elektrochemische System erhalten, um die Änderung des Stromantwortsignals über die Zeit zu messen. Wenn ein Potentialsprung gegeben ist, wird die grundlegende Wellenform in Abbildung 4.1(a) gezeigt, und die Oberfläche der festen Elektrode wird mit einem elektroaktiven Material analysiert. Nachdem der Potentialschritt angelegt wurde, werden die elektroaktiven Spezies nahe der Oberfläche der Elektrode zuerst zu einem stabilen Anionenradikal reduziert, was einen großen Strom erfordert, da der Prozess unmittelbar zum Zeitpunkt des Schritts stattfindet. Der danach fließende Strom wird verwendet, um die Bedingungen aufrechtzuerhalten, unter denen das oberflächenaktive Material der Elektrode vollständig reduziert wird. Die anfängliche Reduktion verursacht einen Konzentrationsgradienten (dh Konzentration) zwischen der Elektrodenoberfläche und der Volumenlösung, und das aktive Material beginnt somit kontinuierlich zur Oberfläche zu diffundieren und zur Elektrode zu diffundieren. Das Aktivmaterial an der Oberfläche wird sofort vollständig abgebaut. Der Diffusionsfluss, also der Strom, ist proportional zum Konzentrationsgradienten der Elektrodenoberfläche. Es ist jedoch anzumerken, dass mit fortschreitender Reaktion das aktive Material in der Massenlösung kontinuierlich zur Oberfläche der Elektrode diffundiert, wodurch bewirkt wird, dass sich der Konzentrationsgradientenbereich allmählich in Richtung der Massenlösung und der Oberflächenkonzentrationsgradient der Festelektrode allmählich ausdehnt wird kleiner (erschöpft) und der Strom ändert sich allmählich. klein. Die Konzentrationsverteilung und der Strom über der Zeit sind in Abbildung 4.1(b) und Abbildung 4.1(c) dargestellt.
Abbildung 4.1 (a) Schritt experimentelle Wellenform, Reaktant O reagiert nicht bei Potential E1, wird bei E2 bei Diffusionsgrenzgeschwindigkeit reduziert; (b) Konzentrationsverteilung zu verschiedenen Zeiten; (c) Strom-gegen-Zeit-Kurve

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5. rotierende Scheibenelektrodentechnologie

Die Technologie der rotierenden Scheibenelektrode (RDE) ist sehr nützlich bei der Untersuchung der gekoppelten homogenen Reaktion der Katalysatoroberfläche, so dass die elektrochemische Reaktion auf der Oberfläche des Katalysators unter einer relativ stationären Bedingung durchgeführt wird. RDE kann Substanzen mit langsamerer Diffusion steuern, wie z. B. Gas, das leicht in die Lösung diffundiert, wodurch der Einfluss der Diffusionsschicht auf die Stromdichteverteilung verringert wird. Somit wird eine stabile Stromdichte erhalten, die sich in einem annähernd stationären Zustand befindet, was für das Verfahren der elektrochemischen Analyse vorteilhaft ist; RDE kann die Geschwindigkeit, mit der der Elektrolyt die Elektrodenoberfläche erreicht, durch Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit steuern und die Parameter des elektrokatalytischen Reaktionsprozesses bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten messen. Analyse.
Mit zunehmendem Interesse der Menschen an der Entwicklung fortschrittlicher Elektrokatalysatoren für die saubere Energieumwandlung ist neben der Betonung der Verwendung einiger grundlegender Methoden zur Charakterisierung elektrokatalytischer Reaktionen eine weitere Untersuchung der elementaren Schritte jeder Reaktion erforderlich, um die beteiligten Schlüsselkombinationen zu bestimmen Zwischenprodukte, die Oberfläche der Zwischenprodukte und die Energie jedes elementaren Reaktionsschrittes. Das Studium elektrochemischer Methoden erfordert noch viele Details über die Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche, die bisher nicht bekannt waren, wie z. in der Nähe von Lösungsmitteln, Kationen und Reaktionsgrenzflächen. Die atomare Zustandsbeschreibung des Anions auf molekularer Ebene; und die schnelleren und effizienteren Echtzeit-Signalerfassungsmethoden während des gesamten elektrochemischen Reaktionsprozesses stehen immer noch an der Spitze elektrokatalytischer Reaktionen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die eingehende Untersuchung elektrochemischer Charakterisierungsmethoden eine Leitstrategie für die Entwicklung neuer hocheffizienter Katalysatorsysteme darstellt.

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