Technologia reakcji elektrokatalitycznej jest jedną z kluczowych metod napędzających te ścieżki konwersji energii i oczyszczania środowiska.
W ostatnich latach, wraz z rozwojem społeczeństwa i postępem ludzkości, coraz poważniejsze problemy energetyczne i środowiskowe stały się problemem ogólnoświatowym, który należy pilnie rozwiązać. Ludzie są zaangażowani w efektywne wykorzystanie nowych źródeł energii i długofalowych metod oczyszczania środowiska. Obecne skuteczne metody badawcze promujące konwersję energii i oczyszczanie środowiska obejmują wiele kierunków, takich jak rozwój ogniw paliwowych, produkcja wodoru, zasoby CO2, organiczna katalityczna konwersja spalin. Metody badań elektrochemicznych jako przewodnik teoretyczny dostarczają racjonalnych środków interpretacji dla rozwoju wydajności elektrokatalizatora. W niniejszym artykule podsumowano metody badań elektrochemicznych powszechnie stosowane w kilku reakcjach elektrochemicznych.
Rysunek 1 Proces elektrokatalityczny zrównoważonej konwersji energii

Charakterystyka elektrochemiczna materiałów katalitycznych 1

1.cykliczna woltamperometria

Woltametria cykliczna (CV) jest najczęściej stosowaną metodą badawczą do oceny nieznanych układów elektrochemicznych. Uzyskuje się go głównie przez kontrolowanie potencjału elektrody z różnymi szybkościami i skanowanie raz lub więcej razy za pomocą trójkątnego kształtu fali w czasie. Krzywa prąd-potencjał (iE). Na elektrodach w różnych zakresach potencjałów mogą zachodzić naprzemiennie różne reakcje redukcji i utleniania. Odwracalność reakcji elektrodowej można ocenić na podstawie kształtu krzywej; piki adsorpcji i desorpcji reagentów można wykorzystać do oceny elektrokatalizatora zgodnie z określonym zakresem potencjału. Obszar katalitycznie aktywny można również wykorzystać do uzyskania przydatnych informacji na temat złożonych reakcji elektrodowych.
Rysunek 1.1 Skanowanie aktualnej krzywej potencjalnej odpowiedzi

Charakterystyka elektrochemiczna materiałów katalitycznych 2

Jak pokazano na rys. 1.1, potencjał pierwszej połowy jest skanowany w kierunku katody, a substancja elektroaktywna jest redukowana na elektrodzie, aby wygenerować falę redukcyjną. Gdy potencjał drugiej połowy jest skanowany w kierunku anody, produkt redukcji jest ponownie utleniany na elektrodzie w celu wytworzenia fali utleniania. Dwa użyteczne parametry krzywej woltamperometrii cyklicznej iE to stosunek prądu szczytowego ipa/ipc oraz różnica potencjałów szczytowych Epa-Epc. Dla fali Nernsta stabilnego produktu stosunek prądu szczytowego ipa/ipc = 1, niezależnie od szybkości skanowania, współczynnika dyfuzji i potencjału komutacji. Kiedy skanowanie katody jest zatrzymane, prąd jest degradowany do 0, a następnie odwrócony skand. Otrzymana krzywa iE jest dokładnie taka sama jak krzywa katody, ale jest rysowana w kierunku przeciwnym do współrzędnej I i współrzędnej E. Stosunek ipa/ipc odbiega od 1, co wskazuje, że proces elektrodowy nie jest w pełni odwracalnym procesem reakcji o jednorodnej kinetyce lub innych komplikacjach. Wysokość piku reakcji i powierzchnia piku mogą być wykorzystane do oszacowania parametrów systemu, takich jak stężenie indywiduów elektroaktywnych lub stała prędkości sprzężonej jednorodnej reakcji. Krzywa CV nie jest jednak idealną metodą ilościową, a jej potężne zastosowanie polega bardziej na jakościowej półilościowej zdolności oceny.

2. woltamperometria impulsowa

Woltamperometria impulsowa jest metodą pomiaru elektrochemicznego opartą na zachowaniu elektrod polarograficznych. Służy do badania procesu redoks w różnych ośrodkach, adsorpcji materiałów powierzchniowych na materiałach katalitycznych oraz mechanizmu przenoszenia elektronów na powierzchni elektrod modyfikowanych chemicznie. Wykrywanie jest szczególnie skuteczne. Woltamperometria impulsowa obejmuje woltamperometrię krokową, konwencjonalną woltamperometrię impulsową, różnicową woltamperometrię impulsową i woltamperometrię fali prostokątnej w zależności od sposobu skanowania napięcia. Wśród nich woltamperometria krokowa jest podobna do metody przemiatania potencjału, a odpowiedź większości systemów na krok woltamperomierz o wyższej rozdzielczości (ΔE < 5 mV) jest bardzo podobna do wyników eksperymentu skanowania liniowego przy tej samej szybkości skanowania.

3. elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna

Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna polega na doprowadzeniu do układu elektrochemicznego zaburzonego sygnału elektrycznego. W przeciwieństwie do metody skanowania liniowego, układ elektrochemiczny znajduje się daleko od stanu równowagi, a następnie obserwuje się odpowiedź układu, a właściwości elektrochemiczne układu są analizowane za pomocą odpowiedzi sygnału elektrycznego. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna jest często wykorzystywana do analizy, oceny reakcji ORR w ogniwach paliwowych PEM, charakteryzowania strat dyfuzyjnych na powierzchni materiału katalizatora, szacowania rezystancji omowej oraz charakterystyki impedancji przeniesienia ładunku i pojemności dwuwarstwowej w celu oceny i optymalizacji zespół elektrod membranowych.
Widmo impedancji jest zwykle rysowane w postaci diagramu Bode'a i diagramu Nyquista. Na wykresie Bode'a wielkość i faza impedancji są wykreślane jako funkcja częstotliwości; na diagramie Nyquista urojona część impedancji jest wykreślona w każdym punkcie częstotliwości w stosunku do rzeczywistej części. Łuk wysokiej częstotliwości odzwierciedla kombinację pojemności dwuwarstwowej warstwy katalizatora, efektywnej impedancji przeniesienia ładunku i rezystancji omowej, która odzwierciedla impedancję wytworzoną przez przenoszenie masy. W przypadku danego systemu te dwa regiony czasami nie są dobrze zdefiniowane.
Rysunek 3.1 Widmo impedancji układu elektrochemicznego

Charakterystyka elektrochemiczna materiałów katalitycznych 3

Rysunek 3.1 przedstawia skrajne charakterystyki kontroli kinetycznej i kontroli transferu masy. Jednak w przypadku dowolnego systemu te dwa regiony prawdopodobnie nie są dobrze zdefiniowane. Czynnikiem decydującym jest zależność między rezystancją przenoszenia ładunku a impedancją transmisji. Jeśli układ chemiczny ma powolną kinetykę, pokaże dużą Rct, która wydaje się mieć bardzo ograniczony obszar częstotliwości. Gdy system jest dynamiczny, transfer materiału zawsze odgrywa wiodącą rolę, a półkoliste obszary są trudne do zdefiniowania.

4. chronoamperometria

Metoda chronoamperometrii jest metodą kontroli przejściowej, którą można wykorzystać do oceny adsorpcji i dyfuzji powierzchni katalizatora. Krzywą chronoamperometryczną uzyskuje się przez zastosowanie potencjalnego kroku do układu elektrochemicznego w celu pomiaru zmiany sygnału odpowiedzi prądu w czasie. Gdy podano krok potencjału, podstawowy przebieg pokazano na rysunku 4.1(a), a powierzchnia elektrody stałej jest analizowana za pomocą materiału elektroaktywnego. Po zastosowaniu etapu potencjału, indywidua elektroaktywne w pobliżu powierzchni elektrody są najpierw redukowane do stabilnego anionorodnika, co wymaga dużego prądu, ponieważ proces zachodzi natychmiast w chwili etapu. Przepływający następnie prąd jest wykorzystywany do utrzymania warunków, w których materiał powierzchniowo czynny elektrody jest całkowicie zredukowany. Początkowa redukcja powoduje gradient stężenia (tj. stężenie) pomiędzy powierzchnią elektrody a roztworem w masie, a zatem materiał aktywny zaczyna w sposób ciągły dyfundować w kierunku powierzchni i dyfundować do elektrody. Aktywny materiał na powierzchni jest natychmiast całkowicie redukowany. Przepływ dyfuzyjny, czyli prąd, jest proporcjonalny do gradientu stężenia na powierzchni elektrody. Należy jednak zauważyć, że w miarę postępu reakcji materiał aktywny w roztworze podstawowym dyfunduje w sposób ciągły w kierunku powierzchni elektrody, powodując stopniowe rozszerzanie się obszaru gradientu stężenia w kierunku roztworu podstawowego, a gradient stężenia powierzchniowego elektrody stałej stopniowo maleje (wyczerpuje się), a prąd stopniowo się zmienia. mały. Rozkład stężenia i prąd w funkcji czasu przedstawiono na Rysunku 4.1(b) i Rysunku 4.1(c).
Rysunek 4.1 (a) Krokowy przebieg eksperymentalny, reagent O nie reaguje przy potencjale E1, jest redukowany przy E2 przy prędkości granicznej dyfuzji; b) rozkład stężenia w różnym czasie; (c) krzywa prąd w funkcji czasu

Charakterystyka elektrochemiczna materiałów katalitycznych 4

5. obrotowa technologia elektrod dyskowych

Technologia obracającej się elektrody dyskowej (RDE) jest bardzo przydatna w badaniu sprzężonej jednorodnej reakcji powierzchni katalizatora, dzięki czemu reakcja elektrochemiczna na powierzchni katalizatora przebiega w stosunkowo stabilnych warunkach. RDE może kontrolować substancje o wolniejszej dyfuzji, takie jak gaz łatwo dyfundujący do roztworu, zmniejszając wpływ warstwy dyfuzyjnej na rozkład gęstości prądu. W ten sposób uzyskuje się stabilną gęstość prądu, która jest w przybliżeniu w stanie ustalonym, co jest korzystne dla procesu analizy elektrochemicznej; RDE może kontrolować prędkość, z jaką elektrolit dociera do powierzchni elektrody poprzez regulację prędkości obrotowej i mierzyć parametry procesu reakcji elektrokatalitycznej przy różnych prędkościach obrotowych. analiza.
Ponieważ ludzie stają się coraz bardziej zainteresowani opracowywaniem zaawansowanych elektrokatalizatorów do konwersji czystej energii, oprócz podkreślenia zastosowania niektórych podstawowych metod do charakteryzowania reakcji elektrokatalitycznych, konieczne jest dalsze badanie elementarnych etapów każdej reakcji w celu określenia zaangażowanej kombinacji kluczowych półprodukty, powierzchnia półproduktu i energia każdego elementarnego etapu reakcji. Badanie metod elektrochemicznych nadal wymaga wielu szczegółów na temat granicy faz elektroda-elektrolit, które nie były dotychczas znane, takich jak kinetyka i bariery reakcji zaangażowane w kluczowe, elementarne etapy transferu proton/elektron; w pobliżu rozpuszczalników, kationów i interfejsów reakcji. Opis anionu na poziomie atomowym, molekularnym; a szybsze i bardziej wydajne metody akwizycji sygnału w czasie rzeczywistym w całym procesie reakcji elektrochemicznej są nadal w czołówce reakcji elektrokatalitycznych. Podsumowując, dogłębne badanie metod charakteryzacji elektrochemicznej zapewnia przewodnią strategię rozwoju nowych wysokowydajnych układów katalitycznych.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *