Elektrochemische Messungen von Trägerkatalysatoren mit einem Potentiostat / Galvanostat

Quelle: Labor von Dr. Yuriy Román-Massachusetts Institute of Technology

Ein Potentiostaten/Galvanostat (oft einfach ein Potentiostaten genannt) ist ein Instrument, das misst Strom bei einer angewandten Potenzial (potentiostatischer Betrieb) oder misst einen angelegten Strom (Galvanostatic Betrieb) voll auszuschöpfen (Abbildung 1). Es ist das am häufigsten verwendete Instrument in die elektrochemische Charakterisierung von Anode und Kathode Materialien für Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren.

Konventionell werden diese Anode und Kathode Materialien mit einem Potentiostaten über eine drei-Elektroden elektrochemische Zelle angeschlossen. Die Elektrodenkabel aus dem Potentiostaten sind verbunden die Referenzelektrode, die Gegenelektrode (oft die Hilfselektrode genannt) und die Arbeitselektrode (enthält das Testmaterial von Interesse). Die elektrochemische Zelle wird mit einer hohen Ionenstärke-Elektrolyt-Lösung, wie eine Lösung sauer, alkalisch oder Salz gefüllt. Das Medium für diese hohe Ionenstärke-Lösung ist in der Regel wässrigen; Allerdings ist für Anwendungen erfordern höhere operative Zellfenster potential, wie Batterien und Superkondensatoren, nichtwässrigen Medien oft verwendet. Die Zelle-Medien ist mit einem Inertgas (um unerwünschte Nebenreaktionen zu vermeiden) oder mit einem Testgas entgast, (wenn die Testreaktion ein Gas bei einer der Elektroden beinhaltet).

Alternativ eine Salzbrücke oder Membran wird eingesetzt, um ionische Kontakt zu halten, wenn die beiden halben Zellen sind in verschiedene Elektrolyte gemessen werden. In heterogenen Electrocatalysis ist diese Art von "zwei Fach" Zelle oft verwendet, wenn das Test-Molekül an der Arbeitselektrode auch reaktiv bei der Counterelectrode ist. Dies geschieht häufig, wie die Counterelectrode, die i. d. r. Platin, die hochaktive Katalysator für viele Reaktionen ist. Hier werden Einzelkammer Zellen verwendet werden, wo alle drei Elektroden sind in den gleichen Medien.

Dieses Video wird das Polieren eine Arbeitselektrode, Vorbereitung einer Katalysator-Tinte, Montage der Katalysator-Tinte auf die Arbeitselektrode, Vorbereitung der elektrochemische Zelle und dann ausführen elektrochemische Messungen erklärt. Enthalten die Messungen, die ausgeführt werden: zyklischer Voltammetrie (CV), linear Sweep Voltammetrie (LSV), Chronopotentiometry (CP) und Chronoamperometry (CA).

Abbildung 1: Ein Beispiel für eine elektrochemische Zelle Einzelkammer. (a.) Teflon Cap, b.) Glas Zelle, C.) PT Draht Gegenelektrode, d.) Arbeitselektrode, e.) Ag/AgCl Bezugselektrode, f.) 0,5 M wässrige Schwefelsäure-Elektrolyt-Lösung.

Die Potentiostaten kann verwendet werden, um eine konstante anodische oder Kathode Potenzial für die Arbeitselektrode gelten und Messen Sie den daraus resultierenden anodischen und kathodischen Strom (Chronoamperometry) oder dem Potentiostaten kann betriebenen Galvanostatically über einen Feedback-Regelkreis und anodische und kathodische Konstantstrom mit das gemessene Potential mit der Zeit variieren, dies galt aktuelle beizubehalten (Chronopotentiometry) gelten. Alternativ kann potenzieller Raum mit der Zeit mit zyklischer Voltammetrie oder linear Sweep Voltammetrie um zu messen, anodische und kathodische Potentiale im Vergleich zu einer angewandten potenzielle Scan-Rate (die Ableitung des Potentials in Bezug auf Zeit) erkundet werden.

In alle diese Techniken auch im Galvanostatic Betrieb dem Potentiostaten steuert das angewandte Potenzial und misst den Fluss von Elektronen aus (an) die Arbeitselektrode zur (Gegenelektrode aus), wenn die Arbeitselektrode als Anode (Kathode) handelt. Das angewandte Potenzial wird verwiesen gegen die Bezugselektrode, enthält ein Redoxsystem (z. B. einer Silberchlorid-Elektrode oder gesättigt Kalomel-Elektrode) mit einem bekannten und stabil, die mit der Elektrolyt-Lösung über eine poröse Fritten verbunden ist. Während des normalen Betriebs zeichnet die Potentiostaten einen vernachlässigbaren, aber ungleich Null Strom durch die Bezugselektrode, sodass eine genaue Potenzial auf die Arbeitselektrode angewendet werden kann. Während die Potentiostaten den Fluss der Elektronen zu oder von Hälfte Reaktion auf die nächste misst, vervollständigt die Elektrolyt-Lösung die Schaltung kostenlos Anhaftungen an der Anode oder Kathode zu verhindern.

(1) Katalysator Tinte und Elektrode Vorbereitung arbeiten

Sicherheitshinweise: Metalle auf Ruß unterstützt müssen in einem Dunst Haube oder Balance Gehäuse behandelt werden, bis es in Aussetzung Form ist, wie diese Pulver Einatmen Gefahren sind.

1. Mit einer geschlossenen Balance, wiegen Sie 5 – 10 mg Metall/Carbon schwarz Katalysator und fügen Sie zu einem Glasfläschchen mit einer Kappe.
2. Mit einer Mikropipette, verdünnen des Katalysators mit Wasser, so dass die Endkonzentration 7,5 mg des Katalysators pro mL Wasser.
3. Während beschallen, wird die Suspension 100 µL Nafion 117 Lösung pro mL Wasser hinzugefügt.
4. Die Tinte sollte für mindestens 10 min gewährleisten gleichmäßige Streuung und Abschließen der Ruß-Unterstützung mit dem Bindemittel mischen beschallt werden.
5. Während die Tinte beschallen wird, sollte ein 3 mm glasig Disk Kohlenstoffelektrode gereinigt und poliert durch Reiben in einer wirbelnden Kreisbewegung auf eine weiche Aluminiumoxid-Pad mit 0,05 µm Aluminiumoxid Lösung bedeckt. Es sollte dann ausgiebig mit Wasser zu entfernen, die Tonerde gespült werden.
6. Als nächstes 7 µL Tinte ist tropfte auf eine polierte, vertikal ausgerichtete 3 mm glasig Disk Kohlenstoffelektrode. Die Arbeitselektrode wird dann bei 80 ° c für 1 h getrocknet, wenn der Katalysator ist Luft-Stall oder verdampfte unter einem schwachen Vakuum für 30 min, wenn der Katalysator luftempfindlichen ist.

(2) elektrochemische Zelle Vorbereitung

Sicherheitshinweise: Handschuhe, Laborkittel und Schutzbrille muss immer getragen werden, sondern ist vor allem von größter Bedeutung für die Arbeit mit der Schwefelsäure-Lösung. Jeder Tropfen der Lösung auf die Handgelenke vergießen sollte, muss es mit Seife und Wasser für 15 min gewaschen werden. Für größere Leckagen sollten Entfernung von kontaminierten Kleidungsstücke und Verwendung von Augenwischerei oder Duschen für 15 min, gefolgt von einer ärztlichen Beratung verwendet werden. Die elektrischen Leitungen darf nicht berührt werden, einmal auf die elektrochemische Zelle platziert.

1. Eine Glas-Zelle ist gefüllt mit 10 mL 0,5 M H₂SO₄ und entgast für mindestens 30 min mit einem extrem hohen Reinheit Stickstoff Strom
2. Die Teflon-Kappen der elektrochemischen Zellen haben 3 Anschlüsse für die Arbeitselektrode, Gegenelektrode und Bezugselektrode
3. Ag/AgCl-Referenzelektrode ist aus seiner 1 M KCl-Lösung entfernt, mit VE-Wasser gründlich gespült und dann in der Zelle platziert.
4. Die platiniert Platindraht Gegenelektrode ist mit VE-Wasser gründlich gespült und dann in der Zelle platziert.
5. Die getrockneten Arbeitselektrode ist mit VE-Wasser gespült und dann in der Zelle platziert.
6. Die Potentiostaten eingeschaltet ist.
7. Die weißen Elektrode Blei ist zuerst und an die Bezugselektrode angeschlossen.
8. Die rote Elektrode Blei wird dann mit der Pt-Draht-Gegenelektrode verbunden.
9. Die grüne Elektrode Blei wird dann mit der Metall/Carbon schwarz Arbeitselektrode verbunden.
10. Eine kleine N₂ Spülstrom bleibt ständig sprudelnden im Elektrolyten.
11. Stellen Sie sicher keine Leitungen berühren und es gibt keine direkter elektrischer Kontakt zwischen den 3 Elektroden anders als mit dem 0,5 M H₂SO₄ Elektrolyt.

3. elektrochemische Analyse

1. Nach dem Einschalten der Potentiostaten führen mindestens 20 Konditionierung Zyklen zwischen 0 und 0,4 V vs. RHE bei 50 mV/s mit CV. Dies erfolgt durch Wahl CV als Technik und Eingabe der oberen und unteren Potenzials sowie die Scan-Geschwindigkeit begrenzt.
2. Linear Sweep Voltammetrie (LSV) kann dann durchgeführt werden, durch die Wahl der LSV als Technik und ein Start Potenzial, eine endgültige Potenzial und eine Scan-Rate angeben. Die Abtastrate für LSV ist in der Regel viel weniger als Lebenslauf, in der Regel 1 – 2 mV/s so dass kapazitive Ströme viel niedriger als Ströme aus faradaic Oberflächenreaktionen werden
3. Chronoamperometry (CA) erfolgt durch die Wahl von CA oder "Amperometrischen-i-t-Kurve" als eine Technik und angeben das fixe Potenzial sowie die Länge der Zeit sollte das Instrument die Arbeitselektrode als dieses Festes Potenzial halten.
4. Chronopotentiometry (CP) erfolgt durch die Wahl der CP als eine Technik. CP kann in einer Reihe von aktuellen Schritte durchgeführt werden, wo ein Strom für eine gewisse Zeit folgte eine neue Strömung für eine bestimmte Dauer angegeben ist. Diese angewandte Ströme können anodische und kathodische Ströme innerhalb der gleichen CP-Messung erstrecken.
5. Wenn die elektrochemische Analyse beendet ist, schalten Sie die Potentiostaten.
6. Trennen Sie das Elektrodenkabel und speichern sie in einem trockenen Platz keine Flüssigkeiten um Korrosion zu verhindern.
7. Entfernen Sie die Bezugselektrode und mit reichlich DI Wasser spülen. Dann die Bezugselektrode direkt zurück zum seine 1 M KCl-Storage-Lösung. Die Spitze dieser Elektrode darf nicht trocken werden.
8. Entfernen Sie die Pt-Draht-Gegenelektrode zu und spülen Sie gründlich mit VE-Wasser
9. Entfernen Sie die Arbeitselektrode und spülen Sie gründlich mit VE-Wasser und verwenden Sie dann ein Wischtuch mit Aceton, um leicht die getrockneten Katalysator Tinte aus der Elektrodenoberfläche zu entfernen. Es wird empfohlen, die Elektroden nach Gebrauch sofort zu polieren.
10. Schalten Sie die N-₂ -Säuberung.
11. Entleeren Sie das verwendete Elektrolyt in einem sauren Abfallbehälter. Spülen Sie die Glas Zelle und Teflon-Cap mit reichlich DI Wasser.

Dieses Verfahren führt zu zahlen, die Grundstücke der gemessene Strom vs. Potenzial für jede der vier Techniken enthalten. Konvention zum CV und LSV, die Grundstücke werden auch werden ausgegeben als gemessene Strom vs. Potenzial trotz der Realität, dass diese vorübergehende Techniken sind, die aktuellen Messen vs. die zeitliche Ableitung des Potentials.

CV, LSV, CP und CA sind unverzichtbare Techniken zur Bestimmung der Wirksamkeit von neue Elektrodenmaterialien für Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren sowie für die Entwicklung von Gebieten wie der selektive partielle Oxidation oder Reduktion von Grundchemikalien. Diese Methoden können zur Bestimmung der Overpotentials von Reaktionen auf verschiedene Elektrodenmaterialien im Vergleich zu ihrer thermodynamischen Gleichgewicht Potenziale. Diese Methoden ermöglichen auch die volumetrische oder gravimetrische Kapazität der Superkondensatoren bestimmt werden. In ähnlicher Weise können Raten von Laden/Entladen der Batterieelektroden oder Superkondensatoren mit diesen Techniken ermittelt werden. Diese Techniken ermöglichen auch die Charakterisierung der elektrochemischen Stabilität der Materialien bestimmt werden. Über diese grundlegenden Techniken umfassen fortgeschrittene Techniken die Kombination potentiometrische Techniken mit in-Situ-Methoden wie IR und Massenspektrometrie.