電気触媒反応技術は、これらのエネルギー変換と環境浄化経路を推進する主要な方法の1つです。
近年、社会の発展と人類の進歩に伴い、深刻化するエネルギー問題や環境問題は、早急に解決しなければならない世界的な問題となっています。人々は、新しいエネルギー源と環境の長期浄化方法の効果的な使用に取り組んでいます。エネルギー変換と環境浄化を促進する現在の効果的な研究方法には、燃料電池の開発、水素製造、CO2資源、排気ガスの有機触媒変換など、多くの方向性があります。理論的ガイドとしての電気化学的試験方法は、電極触媒性能の開発のための解釈の合理的な手段を提供します。このペーパーでは、いくつかの電気化学反応で一般的に使用される電気化学試験方法をまとめています。
図1持続可能なエネルギー変換電極触媒プロセス

1.サイクリックボルタンメトリー

サイクリックボルタンメトリー(CV)は、未知の電気化学システムを評価するために最も一般的に使用される研究方法です。それは主に異なる速度で電極電位を制御し、時間とともに三角波形で1回以上走査することによって得られます。電流ポテンシャル曲線(iE)。異なる電位範囲の電極では、異なる還元反応と酸化反応が交互に発生します。電極反応の可逆性は、曲線の形状によって判断できます。反応物の吸着と脱着のピークを使用して、特定の電位範囲に従って電極触媒を評価できます。触媒活性領域は、複雑な電極反応に関する有用な情報を得るためにも使用できます。
図1.1走査電流ポテンシャル応答曲線

図1.1に示すように、前半の電位が陰極に向かって走査され、電極上で電気活性物質が還元されて還元波が発生します。後半の電位が陽極に向かって走査されると、還元生成物が電極上で再び酸化されて酸化波が発生します。サイクリックボルタンメトリーiE曲線の2つの有用なパラメーターは、ピーク電流比ipa / ipcとピーク電位差Epa-Epcです。安定した製品のネルンスト波の場合、スキャン速度、拡散係数、および整流電位に関係なく、ピーク電流比ipa / ipc = 1。カソードスキャンが停止すると、電流は0に低下してから逆スキャンされます。得られたiE曲線は、カソード曲線とまったく同じですが、I座標とE座標の反対方向に描かれます。 ipa / ipcの比率は1から外れています。これは、電極プロセスが均一な反応速度論やその他の複雑化を伴う完全に可逆的な反応プロセスではないことを示しています。反応ピーク高さとピーク面積を使用して、電気活性種の濃度や結合した均一反応の速度定数などのシステムパラメーターを推定できます。ただし、CV曲線は理想的な定量的手法ではなく、その強力な使用法は定性的半定量的判断能力にあります。

2.パルスボルタンメトリー

パルスボルタンメトリーは、ポーラログラフ電極の挙動に基づく電気化学測定法です。さまざまな媒体でのレドックスプロセス、触媒材料への表面材料の吸着、化学修飾された電極の表面での電子移動メカニズムの研究に使用されます。検出は特に効果的です。パルスボルタンメトリーには、ステップボルタンメトリー、従来のパルスボルタンメトリー、微分パルスボルタンメトリー、および電圧のスキャン方法に応じた方形波ボルタンメトリーが含まれます。その中でも、ステップボルタンメトリーは電位掃引法に似ており、ほとんどのシステムの高分解能(ΔE<5 mV)ステップボルトアンペアに対する応答は、同じスキャン速度の線形スキャン実験結果に非常に似ています。

3.電気化学インピーダンス分光法

電気化学インピーダンス分光法は、摂動された電気信号を電気化学システムに適用することです。線形走査法とは異なり、電気化学システムは平衡状態から遠く離れているため、システムの応答が観察され、システムの電気化学特性が応答電気信号によって分析されます。電気化学インピーダンス分光法は、PEM燃料電池でのORR反応の分析、評価、触媒材料の表面での拡散損失の特性評価、オーム抵抗の推定、および電荷移動インピーダンスと二重層静電容量の特性の評価と最適化によく使用されます。膜電極アセンブリ。
インピーダンススペクトルは通常、ボード線図とナイキスト線図の形で描かれます。ボード線図では、インピーダンスの大きさと位相が周波数の関数としてプロットされています。ナイキスト線図では、インピーダンスの虚数部が、実際の部分に対する各周波数点でプロットされています。高周波アークは、触媒層の二重層静電容量、有効電荷移動インピーダンス、および物質移動によって生成されるインピーダンスを反映するオーム抵抗の組み合わせを反映します。特定のシステムでは、2つの領域が明確に定義されていない場合があります。
図3.1電気化学システムのインピーダンススペクトル

図3.1は、運動制御と物質移動制御の極端な特性を示しています。ただし、どのシステムでも、2つの領域はおそらく明確に定義されていません。決定要因は、電荷移動抵抗と伝送インピーダンスの間の関係です。化学システムの反応速度が遅い場合、Rctが大きくなり、周波数領域が非常に制限されているように見えます。システムが動的な場合、マテリアル転送は常に主導的な役割を果たすため、半円形の領域を定義することは困難です。

4.クロノアンペロメトリー

クロノアンペロメトリー法は、触媒表面の吸着と拡散を評価するために使用できる過渡制御法です。クロノアンペロメトリー曲線は、電位応答ステップを電気化学システムに適用して、経時的な電流応答信号の変化を測定することによって得られます。電位ステップが与えられると、基本的な波形が図4.1(a)に示され、固体電極の表面が電気活性物質で分析されます。電位ステップが適用された後、電極の表面近くの電気活性種は、最初に安定したアニオンラジカルに還元されます。これは、プロセスがステップの瞬間に即座に発生するため、大電流を必要とします。その後流れる電流は、電極表面活物質が完全に還元される条件を維持するために使用されます。初期の減少は、電極表面とバルク溶液との間に濃度勾配(すなわち、濃度)を引き起こし、したがって、活物質は、表面に向かって連続的に拡散し始め、電極に拡散し始める。表面の活物質はすぐに完全に還元されます。拡散流、つまり電流は、電極表面の濃度勾配に比例します。ただし、反応が進むと、バルク溶液中の活物質が電極の表面に向かって連続的に拡散し、濃度勾配領域が徐々にバルク溶液に向かって広がり、固体電極の表面濃度勾配が徐々に広がることに注意してください。が小さくなり(枯渇)、電流が徐々に変化します。小さい。濃度分布と電流対時間を図4.1(b)と図4.1(c)に示します。
図4.1(a)ステップの実験波形、反応物Oは電位E1で反応せず、拡散限界速度でE2で減少します。 (b)異なる時間における濃度分布; (c)電流対時間曲線

5.回転ディスク電極技術

回転ディスク電極(RDE)技術は、触媒表面の結合均一反応の研究に非常に役立つため、触媒表面での電気化学反応は、比較的定常状態の条件下で行われます。 RDEは、ガスが容易に溶液に拡散するなど、拡散の遅い物質を制御して、電流密度分布に対する拡散層の影響を低減できます。したがって、安定した電流密度が得られます。これは、ほぼ定常状態にあり、電気化学分析のプロセスに有益です。 RDEは、回転速度を調整して電解質が電極表面に到達する速度を制御し、さまざまな回転速度での電気触媒反応プロセスのパラメーターを測定できます。分析。
人間がクリーンエネルギー変換のための高度な電極触媒の開発に関心を持つようになると、電気触媒反応の特性評価にいくつかの基本的な方法の使用を強調することに加えて、各反応の基本ステップをさらに調査して、関連する要素を特定する必要があります。中間体、中間体の表面、および各素反応ステップのエネルギー。電気化学的方法の研究では、プロトン/電子移動の主要な基本ステップに関与する反応速度や反応障壁など、これまでに知られていない電極-電解質界面に関する多くの詳細が必要です。溶媒、カチオン、反応界面の近く。陰イオンの原子レベル、分子レベルの状態記述。そして、電気化学反応プロセス全体を通して、より高速でより効率的なリアルタイム信号取得方法は、依然として電気触媒反応の最前線にあります。要約すると、電気化学的特性評価方法の詳細な研究は、新しい高効率触媒システムの開発のためのガイド戦略を提供します。

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