Công nghệ phản ứng xúc tác điện là một trong những phương pháp quan trọng thúc đẩy quá trình chuyển đổi năng lượng và làm sạch môi trường.
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của xã hội và sự tiến bộ của nhân loại, các vấn đề về năng lượng và môi trường ngày càng nghiêm trọng đã trở thành một vấn đề toàn thế giới cần được giải quyết cấp bách. Mọi người cam kết sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng mới và các phương pháp thanh lọc môi trường lâu dài. Các phương pháp nghiên cứu hiệu quả hiện nay để thúc đẩy chuyển đổi năng lượng và làm sạch môi trường liên quan đến nhiều hướng, chẳng hạn như phát triển pin nhiên liệu, sản xuất hydro, tài nguyên CO2, chuyển đổi xúc tác hữu cơ của khí thải. Các phương pháp thử nghiệm điện hóa như một hướng dẫn lý thuyết cung cấp một phương tiện giải thích hợp lý cho sự phát triển của hiệu suất điện xúc tác. Bài báo này tóm tắt các phương pháp thử điện hóa thường được sử dụng trong một số phản ứng điện hóa.
Hình 1 Quá trình điện xúc tác chuyển đổi năng lượng bền vững

Đặc điểm điện hóa của vật liệu xúc tác 1

1. đo điện áp vòng

Đo Vôn theo chu kỳ (CV) là phương pháp nghiên cứu được sử dụng phổ biến nhất để đánh giá các hệ thống điện hóa chưa biết. Nó chủ yếu thu được bằng cách kiểm soát thế điện cực ở các tốc độ khác nhau và quét một hoặc nhiều lần với dạng sóng tam giác theo thời gian. Đường cong hiện tại-tiềm năng (iE). Các phản ứng khử và phản ứng oxi hóa khác nhau có thể xảy ra luân phiên trên các điện cực trong các dãy thế khác nhau. Tính thuận nghịch của phản ứng điện cực có thể được đánh giá theo hình dạng của đường cong; các đỉnh hấp phụ và giải hấp phụ của chất phản ứng có thể được sử dụng để đánh giá chất xúc tác điện theo phạm vi thế cụ thể. Khu vực hoạt động của xúc tác cũng có thể được sử dụng để thu được thông tin hữu ích về các phản ứng điện cực phức tạp.
Hình 1.1 Quét đường cong đáp ứng tiềm năng hiện tại

Đặc điểm điện hóa của vật liệu xúc tác 2

Như trong hình 1.1, điện thế của nửa đầu được quét về phía catốt, và chất hoạt tính bị khử trên điện cực để tạo ra sóng khử. Khi điện thế của nửa sau được quét về phía cực dương, sản phẩm khử lại bị oxi hóa trên điện cực để tạo ra sóng oxi hóa. Hai tham số hữu ích của đường cong iE đo vôn theo chu kỳ là tỷ số dòng điện đỉnh ipa / ipc và hiệu điện thế đỉnh Epa-Epc. Đối với sóng Nernst của sản phẩm ổn định, tỷ lệ dòng điện đỉnh ipa / ipc = 1, không phụ thuộc vào tốc độ quét, hệ số khuếch tán và điện thế giao hoán. Khi quá trình quét catốt bị dừng lại, dòng điện bị suy giảm về 0 và sau đó ngược lại scand. Đường cong iE thu được hoàn toàn giống với đường cong catốt, nhưng được vẽ theo hướng ngược lại của tọa độ I và tọa độ E. Tỷ lệ ipa / ipc lệch 1, cho thấy rằng quá trình điện cực không phải là một quá trình phản ứng thuận nghịch hoàn toàn liên quan đến động học đồng nhất hoặc các biến chứng khác. Chiều cao pic phản ứng và diện tích pic có thể được sử dụng để ước tính các thông số của hệ thống như nồng độ của các chất điện hóa hoặc hằng số vận tốc của phản ứng đồng thể liên kết. Tuy nhiên, đường cong CV không phải là một phương pháp định lượng lý tưởng, và công dụng mạnh mẽ của nó là ở khả năng Đánh giá bán định lượng.

2. đo voltulse

Đo điện áp xung là một phương pháp đo điện hóa dựa trên hoạt động của các điện cực phân cực. Nó được sử dụng để nghiên cứu quá trình oxy hóa khử trong các môi trường khác nhau, sự hấp phụ của vật liệu bề mặt trên vật liệu xúc tác và cơ chế truyền điện tử trên bề mặt của các điện cực biến đổi về mặt hóa học. Phát hiện đặc biệt hiệu quả. Phép đo điện áp xung bao gồm phép đo điện áp bước, phép đo điện áp xung thông thường, phép đo điện thế xung vi sai và phép đo điện thế sóng vuông tùy thuộc vào cách quét điện áp. Trong số đó, phép đo vôn bước tương tự như phương pháp quét tiềm năng và phản ứng của hầu hết các hệ thống đối với vôn-ampe bước có độ phân giải cao hơn (ΔE <5 mV) rất giống với kết quả thí nghiệm quét tuyến tính có cùng tốc độ quét.

3. quang phổ trở kháng điện hóa

Quang phổ trở kháng điện hóa là áp dụng một tín hiệu điện nhiễu loạn vào hệ thống điện hóa. Không giống như phương pháp quét tuyến tính, hệ thống điện hóa ở xa trạng thái cân bằng, sau đó phản ứng của hệ thống được quan sát, và các tính chất điện hóa của hệ thống được phân tích bằng tín hiệu điện đáp ứng. Phổ trở kháng điện hóa thường được sử dụng để phân tích, đánh giá phản ứng ORR trong pin nhiên liệu PEM, mô tả đặc điểm tổn thất khuếch tán trên bề mặt vật liệu xúc tác, ước tính điện trở ohmic, đặc điểm của trở kháng truyền điện tích và điện dung lớp kép để đánh giá và tối ưu hóa cụm điện cực màng.
Phổ trở kháng thường được vẽ dưới dạng biểu đồ Bode và biểu đồ Nyquist. Trong biểu đồ Bode, độ lớn và pha của trở kháng được vẽ dưới dạng một hàm của tần số; trong biểu đồ Nyquist, phần ảo của trở kháng được vẽ ở mỗi điểm tần số so với phần thực. Hồ quang tần số cao phản ánh sự kết hợp của điện dung lớp kép của lớp xúc tác, trở kháng truyền điện tích hiệu dụng và điện trở ohmic, phản ánh trở kháng được tạo ra bởi quá trình truyền khối. Đối với một hệ thống nhất định, hai vùng đôi khi không được xác định rõ ràng.
Hình 3.1 Phổ trở kháng của hệ thống điện hóa

Đặc điểm điện hóa của vật liệu xúc tác 3

Hình 3.1 cho thấy các đặc tính cực hạn của điều khiển động học và điều khiển truyền khối. Tuy nhiên, đối với bất kỳ hệ thống nhất định nào, hai vùng có thể không được xác định rõ ràng. Yếu tố quyết định là mối quan hệ giữa điện trở truyền điện tích và trở kháng truyền tải. Nếu hệ thống hóa học chậm động học, nó sẽ hiển thị Rct lớn, dường như có một vùng tần số rất hạn chế. Khi hệ thống động, Chuyển giao vật chất luôn đóng vai trò chủ đạo, và các vùng bán nguyệt rất khó xác định.

4. Chronoamperometry

Phương pháp đo thời gian là một phương pháp điều khiển quá độ có thể được sử dụng để đánh giá sự hấp phụ và khuếch tán của bề mặt chất xúc tác. Đường cong đo thời gian thu được bằng cách áp dụng một bước điện thế vào hệ thống điện hóa để đo sự thay đổi của tín hiệu đáp ứng dòng điện theo thời gian. Khi cho một bước điện thế, dạng sóng cơ bản được thể hiện trong Hình 4.1 (a), và bề mặt của điện cực rắn được phân tích với một chất hoạt tính. Sau khi bước điện thế được áp dụng, các loại điện cực gần bề mặt của điện cực đầu tiên bị khử thành gốc anion ổn định, đòi hỏi một dòng điện lớn vì quá trình xảy ra ngay lập tức ở bước tức thời. Dòng điện chạy sau đó được sử dụng để duy trì các điều kiện mà chất hoạt động bề mặt điện cực bị giảm hoàn toàn. Sự giảm ban đầu gây ra một gradient nồng độ (tức là nồng độ) giữa bề mặt điện cực và dung dịch khối, và do đó chất hoạt động bắt đầu liên tục khuếch tán về phía bề mặt và khuếch tán đến điện cực. Các chất hoạt động trên bề mặt hoàn toàn giảm ngay lập tức. Dòng khuếch tán, nghĩa là, dòng điện, tỷ lệ với gradien nồng độ của bề mặt điện cực. Tuy nhiên, lưu ý rằng khi phản ứng tiếp tục, chất hoạt động trong dung dịch khối khuếch tán liên tục về phía bề mặt của điện cực, làm cho vùng gradient nồng độ mở rộng dần về phía dung dịch khối, và gradient nồng độ bề mặt của điện cực rắn dần dần trở nên nhỏ hơn (cạn kiệt), và dòng điện dần dần thay đổi. nhỏ bé. Sự phân bố nồng độ và dòng điện so với thời gian được thể hiện trong Hình 4.1 (b) và Hình 4.1 (c).
Hình 4.1 (a) Dạng sóng thực nghiệm bước, chất phản ứng O không phản ứng ở thế E1, bị giảm ở E2 ở tốc độ giới hạn khuếch tán; (b) sự phân bố nồng độ tại các thời điểm khác nhau; (c) hiện tại so với đường cong thời gian

Đặc điểm điện hóa của vật liệu xúc tác 4

5. công nghệ điện cực đĩa chuyển động

Công nghệ điện cực đĩa quay (RDE) rất hữu ích trong việc nghiên cứu phản ứng đồng nhất liên kết của bề mặt chất xúc tác, do đó phản ứng điện hóa trên bề mặt chất xúc tác được thực hiện trong điều kiện trạng thái tương đối ổn định. RDE có thể kiểm soát các chất có độ khuếch tán chậm hơn, chẳng hạn như khí dễ dàng khuếch tán vào dung dịch, giảm ảnh hưởng của lớp khuếch tán đến sự phân bố mật độ dòng điện. Do đó, mật độ dòng điện ổn định thu được, ở trạng thái ổn định gần đúng, có lợi cho quá trình phân tích điện hóa; RDE có thể điều khiển tốc độ chất điện phân đến bề mặt điện cực bằng cách điều chỉnh tốc độ quay và đo các thông số của quá trình phản ứng điện cực ở các tốc độ quay khác nhau. phân tích.
Khi con người trở nên quan tâm hơn đến việc phát triển các chất xúc tác điện tiên tiến để chuyển đổi năng lượng sạch, ngoài việc nhấn mạnh việc sử dụng một số phương pháp cơ bản để xác định đặc điểm của các phản ứng điện xúc tác, cần kiểm tra thêm các bước cơ bản của mỗi phản ứng để xác định sự kết hợp của chìa khóa chất trung gian, bề mặt của chất trung gian, và năng lượng của mỗi bước phản ứng cơ bản. Việc nghiên cứu các phương pháp điện hóa vẫn còn đòi hỏi nhiều chi tiết về giao diện điện cực - chất điện phân mà cho đến nay vẫn chưa được biết đến, chẳng hạn như các rào cản động học và phản ứng liên quan đến các bước cơ bản chính của sự chuyển proton / electron; gần dung môi, cation và giao diện phản ứng. Mô tả trạng thái nguyên tử, cấp độ phân tử của anion; và các phương pháp thu tín hiệu thời gian thực nhanh hơn và hiệu quả hơn trong suốt quá trình phản ứng điện hóa vẫn đi đầu trong các phản ứng điện xúc tác. Tóm lại, việc nghiên cứu sâu các phương pháp xác định đặc tính điện hóa cung cấp một chiến lược định hướng cho việc phát triển các hệ thống xúc tác mới hiệu suất cao.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *