전기 촉매 반응 기술은 이러한 에너지 변환 및 환경 정화 경로를 주도하는 주요 방법 중 하나입니다.
최근 사회의 발전과 인류의 진보에 따라 점점 더 심각한 에너지 및 환경 문제가 시급하게 해결되어야하는 세계적인 문제가되었습니다. 사람들은 새로운 에너지 원의 효과적인 사용과 환경의 장기 정화 방법에 전념합니다. 에너지 변환 및 환경 정화를 촉진하기위한 현재의 효과적인 연구 방법에는 연료 전지 개발, 수소 생산, CO2 자원, 배기 가스의 유기 촉매 변환과 같은 여러 방향이 포함됩니다. 이론적 가이드로서의 전기 화학적 시험 방법은 전기 촉매 성능의 개발을위한 합리적인 해석 수단을 제공한다. 이 논문은 여러 전기 화학 반응에서 일반적으로 사용되는 전기 화학 테스트 방법을 요약합니다.
그림 1 지속 가능한 에너지 변환 전기 촉매 공정

1. 순환 전압 전류

순환 전압 전류 법 (CV)은 알려지지 않은 전기 화학 시스템을 평가하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 연구 방법입니다. 주로 다른 속도로 전극 전위를 제어하고 시간이 지남에 따라 삼각 파형으로 한 번 이상 스캔하여 얻습니다. 전류 전위 곡선 (iE). 상이한 전위 범위에서 전극에 대해 상이한 환원 및 산화 반응이 교대로 발생할 수있다. 전극 반응의 가역성은 곡선의 형태에 따라 판단 될 수있다; 반응물의 흡착 및 탈착 피크는 특정 전위 범위에 따라 전기 촉매를 평가하는데 사용될 수있다. 촉매 활성 영역은 복잡한 전극 반응에 대한 유용한 정보를 얻기 위해 사용될 수도 있습니다.
그림 1.1 스캔 전류 전위 응답 곡선

도 1.1에 도시 된 바와 같이, 전반부의 전위는 캐소드를 향해 주사되고, 전기 활성 물질은 전극에서 감소되어 감소 파를 생성한다. 후반의 전위가 애노드를 향해 주사 될 때, 환원 생성물은 전극에서 다시 산화되어 산화 파를 생성한다. 순환 전압 전류계 iE 곡선의 두 가지 유용한 파라미터는 피크 전류 비 ipa / ipc 및 피크 전위차 Epa-Epc입니다. 안정적인 제품의 Nernst 파의 경우, 스캔 속도, 확산 계수 및 정류 전위와 무관하게 피크 전류 비율 ipa / ipc = 1입니다. 캐소드 스캔이 중지되면 전류가 0으로 저하 된 다음 역 스캔됩니다. 얻어진 iE 곡선은 캐소드 곡선과 정확히 동일하지만 I 좌표와 E 좌표의 반대 방향으로 그려집니다. ipa / ipc의 비는 1로부터 벗어 났으며, 이는 전극 공정이 균질 동역학 또는 다른 합병증을 포함하는 완전히 가역적 인 반응 공정이 아님을 나타낸다. 반응 피크 높이 및 피크 면적을 사용하여 전기 활성 종의 농도 또는 커플 링 된 균질 반응의 속도 상수와 같은 시스템 파라미터를 추정 할 수있다. 그러나, CV 곡선은 이상적인 정량적 방법이 아니며, 그 강력한 사용은 질적 반 정량적 판단 능력에 더 가깝습니다.

2. 펄스 전압 전류 법

펄스 전압 전류 법은 극성 전극의 거동에 기반한 전기 화학 측정 방법입니다. 다양한 매질에서의 산화 환원 공정, 촉매 물질의 표면 물질 흡착 및 화학적으로 변형 된 전극 표면의 전자 전달 메커니즘을 연구하는 데 사용됩니다. 감지가 특히 효과적입니다. 펄스 전압 전류계에는 전압 스캔 방식에 따른 스텝 전압 전류계, 기존 펄스 전압 전류계, 차동 펄스 전압 전류계 및 구형파 전압 전류계가 포함됩니다. 이들 중에서 단계 전압 전류 법은 전위 스윕 방법과 유사하며, 대부분의 시스템의 고해상도 (ΔE <5 mV) 단계 전압 암페어에 대한 응답은 동일한 스캔 속도의 선형 스캔 실험 결과와 매우 유사합니다.

3. 전기 화학 임피던스 분광법

전기 화학 임피던스 분광법은 교란 된 전기 신호를 전기 화학 시스템에 적용하는 것이다. 선형 스캐닝 방법과 달리, 전기 화학 시스템은 평형 상태에서 멀리 떨어져 있고, 시스템의 응답이 관찰되고, 시스템의 전기 화학적 특성은 응답 전기 신호에 의해 분석된다. 전기 화학 임피던스 분광법은 종종 PEM 연료 전지에서의 ORR 반응을 분석하고, 평가하고, 촉매 물질 표면의 확산 손실을 특성화하고, 옴 저항을 평가하고, 전하 전달 임피던스 및 이중층 캐패시턴스의 특성을 평가하고 최적화하기 위해 종종 사용됩니다. 막 전극 조립체.
임피던스 스펙트럼은 일반적으로 보드 다이어그램과 나이 퀴 스트 다이어그램의 형태로 그려집니다. 보드 다이어그램에서 임피던스의 크기와 위상은 주파수의 함수로 표시됩니다. 나이키 스트 다이어그램에서, 임피던스의 허수 부분은 실제 부분을 기준으로 각 주파수 포인트에 표시됩니다. 고주파 아크는 촉매층의 이중층 커패시턴스, 유효 전하 전달 임피던스 및 옴 저항의 조합을 반영하며, 이는 질량 전달에 의해 생성 된 임피던스를 반영한다. 주어진 시스템에서, 두 영역은 때때로 잘 정의되지 않습니다.
전기 화학 시스템의 그림 3.1 임피던스 스펙트럼

그림 3.1은 운동 제어 및 질량 전달 제어의 극한 특성을 보여줍니다. 그러나 특정 시스템의 경우 두 영역이 제대로 정의되지 않았을 수 있습니다. 결정 인자는 전하 전달 저항과 전송 임피던스 사이의 관계이다. 화학 시스템의 속도가 느리면 큰 Rct를 보여 주파수 영역이 매우 제한적인 것으로 보입니다. 시스템이 역동적 일 때, 자재 이송은 항상 주요한 역할을하며 반원형 영역을 정의하기가 어렵습니다.

4. 크로노 암 페로 메 트리

크로노 암 페로 메 트리 방법은 촉매 표면의 흡착 및 확산을 평가하기 위해 사용될 수있는 과도 제어 방법이다. 크로노 암 페로 메 트리 곡선은 시간에 따른 전류 응답 신호의 변화를 측정하기 위해 전기 화학 시스템에 전위 단계를 적용함으로써 얻어진다. 전위 단계가 주어지면 기본 파형이 그림 4.1 (a)에 나타나고 고체 전극의 표면은 전기 활성 물질로 분석됩니다. 포텐셜 단계가 적용된 후, 전극 표면 근처의 전기 활성 종은 먼저 안정적인 음이온 라디칼로 환원되는데, 이는 공정이 단계 순간에 즉시 발생하기 때문에 큰 전류를 필요로한다. 그 후 흐르는 전류는 전극 표면 활물질이 완전히 감소되는 조건을 유지하는데 사용된다. 초기 환원은 전극 표면과 벌크 용액 사이에 농도 구배 (즉, 농도)를 야기하고, 따라서 활물질은 표면을 향해 연속적으로 확산되고 전극으로 확산되기 시작한다. 표면의 활물질은 즉시 완전히 줄어 듭니다. 확산 흐름, 즉 전류는 전극 표면의 농도 구배에 비례한다. 그러나, 반응이 진행됨에 따라, 벌크 용액 내의 활물질은 전극 표면을 향해 연속적으로 확산되어, 농도 구배 영역이 벌크 용액을 향해 점차 확장되고, 고체 전극의 표면 농도 구배가 점진적으로됨을 주목해야한다. 더 작아지고 (고갈) 전류가 점차적으로 변합니다. 작은. 농도 분포 및 전류 대 시간은 그림 4.1 (b) 및 그림 4.1 (c)에 나와 있습니다.
그림 4.1 (a) 반응물 O가 전위 E1에서 반응하지 않고 확산 한계 속도로 E2에서 감소되는 단계 실험 파형; (b) 상이한 시간에서의 농도 분포; (c) 전류 대 시간 곡선

5. 회전 디스크 전극 기술

회전 디스크 전극 (RDE) 기술은 촉매 표면의 결합 된 균질 반응을 연구하는데 매우 유용하므로, 촉매 표면상의 전기 화학 반응은 비교적 안정된 상태 조건에서 수행된다. RDE는 용액으로 쉽게 확산되는 가스와 같이 확산 속도가 느린 물질을 제어하여 전류 밀도 분포에 대한 확산층의 영향을 줄입니다. 따라서, 대략적인 정상 상태 인 안정한 전류 밀도가 얻어지며, 이는 전기 화학적 분석 프로세스에 유리하다; RDE는 회전 속도를 조정하여 전해질이 전극 표면에 도달하는 속도를 제어하고, 다른 회전 속도에서 전기 촉매 반응 공정의 파라미터를 측정 할 수있다. 분석.
인간이 청정 에너지 전환을위한 고급 전기 촉매 개발에 더 관심을 가지게됨에 따라 전기 촉매 반응의 특성화를위한 몇 가지 기본 방법의 사용을 강조하는 것 외에도 각 반응의 기본 단계에 대한 추가 검사가 관련 결정을 위해 필요합니다. 중간체, 중간체의 표면 및 각 기본 반응 단계의 에너지. 전기 화학적 방법에 대한 연구는 여전히 현재까지 알려지지 않은 전극-전해질 계면에 대한 많은 세부 사항, 예를 들어 양성자 / 전자 전달의 주요 기본 단계에 수반되는 동역학 및 반응 장벽; 용매, 양이온 및 반응 계면 근처. 음이온의 원자, 분자 수준 상태 설명; 전기 화학 반응 공정 전반에 걸쳐 더욱 빠르고 효율적인 실시간 신호 획득 방법은 여전히 전기 촉매 반응의 최전선에있다. 요약하면, 전기 화학적 특성 분석 방법에 대한 심층적 인 연구는 새로운 고효율 촉매 시스템의 개발을위한 지침 전략을 제공합니다.

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