Электрохимическая характеристика каталитических материалов

Технология электрокаталитической реакции является одним из ключевых методов, обеспечивающих преобразование энергии и очистку окружающей среды.
В последние годы, с развитием общества и прогрессом человечества, все более серьезные энергетические и экологические проблемы стали всемирной проблемой, которую необходимо срочно решить. Люди привержены эффективному использованию новых источников энергии и долговременных методов очистки окружающей среды. Современные эффективные методы исследования, направленные на содействие преобразованию энергии и очистке окружающей среды, включают в себя множество направлений, таких как разработка топливных элементов, производство водорода, ресурсы CO2, органическая каталитическая конверсия выхлопных газов. Методы электрохимических испытаний в качестве теоретического руководства обеспечивают рациональное толкование для разработки характеристик электрокатализатора. Эта статья суммирует электрохимические методы испытаний, обычно используемые в нескольких электрохимических реакциях.
Рисунок 1 Устойчивое преобразование энергии электрокаталитического процесса

1.циклическая вольтамперометрия

Циклическая вольтамперометрия (CV) - наиболее часто используемый метод исследования для оценки неизвестных электрохимических систем. Он в основном получается путем управления потенциалом электрода с различными скоростями и сканирования один или несколько раз треугольной формой сигнала во времени. Кривая ток-потенциал (IE). Различные реакции восстановления и окисления могут происходить попеременно на электродах в разных диапазонах потенциалов. Об обратимости электродной реакции можно судить по форме кривой; пики адсорбции и десорбции реагентов можно использовать для оценки электрокатализатора в соответствии с конкретным диапазоном потенциалов. Каталитически активная зона также может быть использована для получения полезной информации о сложных электродных реакциях.
Рисунок 1.1 Сканирование кривой потенциального отклика тока

Как показано на рис. 1.1, потенциал первой половины сканируется в направлении катода, и электроактивное вещество уменьшается на электроде, чтобы генерировать волну восстановления. Когда потенциал второй половины сканируется в направлении анода, продукт восстановления снова окисляется на электроде, чтобы генерировать волну окисления. Двумя полезными параметрами кривой iE циклической вольтамперометрии являются отношение пиковых токов ipa / ipc и разность пиковых потенциалов Epa-Epc. Для волны Нернста стабильного произведения отношение пиковых токов ipa / ipc = 1 не зависит от скорости сканирования, коэффициента диффузии и потенциала коммутации. Когда катодное сканирование остановлено, ток снижается до 0, а затем происходит обратное сканирование. Полученная кривая iE точно такая же, как и катодная кривая, но она нарисована в противоположном направлении от координаты I и координаты E. Отношение ipa / ipc отклоняется от 1, что указывает на то, что электродный процесс не является полностью обратимым процессом реакции, включающим гомогенную кинетику или другие осложнения. Высота пика реакции и площадь пика могут быть использованы для оценки параметров системы, таких как концентрация электроактивных частиц или константа скорости связанной гомогенной реакции. Тем не менее, кривая CV не является идеальным количественным методом, и его мощное использование заключается скорее в его качественной полуколичественной судейской способности.

2. импульсная вольтамперометрия

Импульсная вольтамперометрия - это электрохимический метод измерения, основанный на поведении полярографических электродов. Он используется для изучения окислительно-восстановительного процесса в различных средах, адсорбции поверхностных материалов на каталитических материалах и механизма переноса электронов на поверхности химически модифицированных электродов. Обнаружение особенно эффективно. Импульсная вольтамперометрия включает в себя шаговую вольтамперометрию, обычную импульсную вольтамперометрию, дифференциальную импульсную вольтамперометрию и прямоугольную вольтамперометрию в зависимости от способа сканирования напряжения. Среди них ступенчатая вольтамперометрия аналогична методу развертки потенциала, и отклик большинства систем на ступенчатый вольт-ампер с более высоким разрешением (ΔE <5 мВ) очень похож на результаты эксперимента линейного сканирования с той же скоростью сканирования.

3. электрохимическая импедансная спектроскопия

Электрохимическая импедансная спектроскопия заключается в подаче возмущенного электрического сигнала в электрохимическую систему. В отличие от метода линейного сканирования, электрохимическая система находится далеко от состояния равновесия, и затем наблюдается отклик системы, а электрохимические свойства системы анализируются с помощью ответного электрического сигнала. Электрохимическая импедансная спектроскопия часто используется для анализа, оценки реакции ORR в топливных элементах PEM, характеристики диффузионных потерь на поверхности материала катализатора, оценки омического сопротивления, а также характеристик импеданса переноса заряда и емкости двойного слоя для оценки и оптимизации. мембранный электрод в сборе.
Спектр импеданса обычно рисуется в форме диаграммы Боде и диаграммы Найквиста. На диаграмме Боде амплитуда и фаза импеданса изображены как функция частоты; на диаграмме Найквиста мнимая часть импеданса изображена в каждой точке частоты относительно реальной части. Высокочастотная дуга отражает комбинацию двухслойной емкости слоя катализатора, эффективного импеданса переноса заряда и омического сопротивления, которое отражает импеданс, создаваемый массопереносом. Для данной системы эти две области иногда недостаточно четко определены.
Рисунок 3.1 Спектр импеданса электрохимической системы

На рисунке 3.1 показаны экстремальные характеристики кинетического контроля и управления массопередачей. Однако для любой данной системы эти две области, вероятно, не определены четко. Определяющим фактором является соотношение между сопротивлением переноса заряда и сопротивлением передачи. Если химическая система медленна в кинетике, она покажет большую Rct, которая, кажется, имеет очень ограниченную область частот. Когда система динамична, перемещение материала всегда играет ведущую роль, а полукруглые области трудно определить.

4. Хроноамперометрия

Метод хроноамперометрии представляет собой метод контроля переходных процессов, который можно использовать для оценки адсорбции и диффузии поверхности катализатора. Кривая хроноамперометрии получается путем приложения потенциального шага к электрохимической системе для измерения изменения сигнала отклика тока во времени. Когда задан потенциальный шаг, основная форма волны показана на рисунке 4.1 (а), а поверхность твердого электрода проанализирована с помощью электроактивного материала. После применения потенциальной ступени электроактивные частицы вблизи поверхности электрода сначала восстанавливаются до стабильного анион-радикала, который требует большого тока, поскольку процесс происходит непосредственно в момент ступеньки. Ток, протекающий после этого, используется для поддержания условий, при которых активный материал поверхности электрода полностью уменьшается. Начальное уменьшение вызывает градиент концентрации (то есть концентрацию) между поверхностью электрода и объемным раствором, и активный материал, таким образом, начинает непрерывно диффундировать к поверхности и диффундировать к электроду. Активный материал на поверхности полностью уменьшается сразу. Диффузионный поток, то есть ток, пропорционален градиенту концентрации поверхности электрода. Однако следует отметить, что по мере протекания реакции активный материал в объеме раствора непрерывно диффундирует к поверхности электрода, в результате чего область градиента концентрации постепенно расширяется в направлении объема раствора, а градиент концентрации поверхности твердого электрода постепенно становится меньше (истощается), а ток постепенно меняется. маленький. Распределение концентрации и ток в зависимости от времени показаны на рисунке 4.1 (б) и рисунке 4.1 (в).
Рисунок 4.1 (а) Стадия экспериментальной формы волны, реагент O не реагирует при потенциале E1, уменьшается при E2 с предельной скоростью диффузии; (б) распределение концентрации в разное время; (в) зависимость тока от времени

Технология вращающегося дискового электрода

Технология вращающегося дискового электрода (RDE) очень полезна при изучении сопряженной гомогенной реакции поверхности катализатора, так что электрохимическая реакция на поверхности катализатора осуществляется в условиях относительно устойчивого состояния. RDE может контролировать вещества с более медленной диффузией, такие как газ, легко диффундирующий в раствор, уменьшая влияние диффузионного слоя на распределение плотности тока. Таким образом, получается стабильная плотность тока, которая находится в приблизительном стационарном состоянии, что выгодно для процесса электрохимического анализа; RDE может контролировать скорость, с которой электролит достигает поверхности электрода, регулируя скорость вращения, и измерять параметры процесса электрокаталитической реакции при различных скоростях вращения. анализ.
Поскольку люди все больше интересуются разработкой современных электрокатализаторов для преобразования чистой энергии, в дополнение к подчеркиванию использования некоторых основных методов для характеристики электрокаталитических реакций, необходимо дальнейшее изучение элементарных этапов каждой реакции, чтобы определить вовлеченную комбинацию ключевых промежуточные продукты, поверхность промежуточного продукта и энергия каждой элементарной стадии реакции. Изучение электрохимических методов все еще требует многих подробностей о границе раздела электрод-электролит, которые до сих пор не известны, таких как кинетика и реакционные барьеры, участвующие в ключевых элементарных этапах переноса протона / электрона; вблизи растворителей, катионов и реакционных границ. Атомное, молекулярное описание состояния аниона; и более быстрые и более эффективные методы получения сигналов в реальном времени на протяжении всего процесса электрохимической реакции все еще находятся на переднем крае электрокаталитических реакций. Таким образом, углубленное изучение методов электрохимической характеристики обеспечивает руководящую стратегию для разработки новых высокоэффективных каталитических систем.

Оставьте комментарий

ru_RUРусский
en_USEnglish zh_CN简体中文 es_ESEspañol arالعربية hi_INहिन्दी pt_BRPortuguês do Brasil bn_BDবাংলা ja日本語 pa_INਪੰਜਾਬੀ jv_IDBasa Jawa de_DEDeutsch ko_KR한국어 fr_FRFrançais tr_TRTürkçe viTiếng Việt pl_PLPolski ru_RUРусский