JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

طريقة إعداد فاسيل من الأقطاب باستخدام المواد السائبة الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 . يوفر هذا الأسلوب تقنية بديلة لتصنيع القطب التقليدية ويصف المتطلبات الأساسية للمواد القطب غير تقليدية بما في ذلك طريقة الاختبار إليكتروكاتاليتيك مباشرة.

Abstract

تم تصنيع مادة بينتلانديت الصخور مع تكوين الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 عن طريق التوليف درجة حرارة عالية من العناصر. وقد تميز هيكل وتكوين المادة عن طريق حيود الأشعة السينية مسحوق (بسرد)، الطيفي موسبور (مب)، المجهر الإلكتروني الماسح (سيم)، قياس المسارات التفاضلية (دسك) والطيف تشتت الأشعة السينية (إدكس). يتم عرض اثنين من أساليب إعداد الأقطاب السائبة بنتلانديت. في النهج الأول يتم الاتصال مباشرة قطعة من الصخور بنتلانديت الاصطناعية مباشرة عن طريق الطويق الأسلاك. النهج الثاني يستخدم الكريات بينتلانديت، الضغط من مسحوق ناعم الأرض، وهو يجمد في غلاف تفلون. كل من الأقطاب الكهربائية، في حين يجري إعدادها من قبل طريقة خالية من المضافة، تكشف عن متانة عالية خلال التحويلات إليكتروكاتاليتيك بالمقارنة مع أساليب طلاء قطرة المشتركة. نحن هنا تسليط الضوء على أداء مذهل من هذه الأقطاب لإنجاز هيدروجين تطور رد الفعل (هر) وتقديم طريقة موحدة لتقييم أداء إليكتروكاتاليتيك بواسطة الكهروكيميائية والغاز طرق الكروماتوغرافي. وعلاوة على ذلك، فإننا الإبلاغ عن اختبارات الاستقرار عن طريق أساليب بوتنتيستاتيك في أوفيربوتنتيال من 0.6 V لاستكشاف القيود المادية من الأقطاب الكهربائية خلال التحليل الكهربائي تحت الظروف الصناعية ذات الصلة.

Introduction

إن تخزين مصادر الطاقة المتجددة المتقلبة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح له أهمية اجتماعية كبيرة بسبب الخبو التدريجي للوقود الأحفوري والحاجة اللاحقة إلى مصادر الطاقة البديلة. وفي هذا الصدد، يعتبر الهيدروجين مرشحا مستداما واعدة لحلول تخزين الطاقة الجزيئية بسبب عملية احتراق نظيفة. 1 بالإضافة إلى ذلك يمكن استخدام الهيدروجين كوقود أو كمواد بدء للوقود الأكثر تعقيدا، مثل الميثانول. والطريقة المفضلة لتوليف سهل الهيدروجين باستخدام موارد محايدة من الكربون هو الحد الكهروكيميائي للمياه باستخدام طاقات مستدامة.

حاليا، من المعروف أن البلاتين وسبائكه هي إليكتروكاتاليستس الأكثر فعالية لتفاعل رد الفعل الهيدروجين (هر) تظهر انخفاض القدرة الزائدة، ومعدل رد فعل سريع وتشغيل بكثافة الحالية العالية. 2 ومع ذلك، نظرا لارتفاع سعره وانخفاض وفرة الطبيعية، آلمطلوب محفزات معدنية غير نبيلة ثلاثية. ومن بين الكم الهائل من المحفزات المعدنية الانتقالية غير الثمينة البديلة، 3 خاصة ديكالكوجينيدس المعادن الانتقالية (مكس 2 ؛ M = المعادن؛ X = S، سي) وقد تبين أن تمتلك النشاط هر عالية. 4 ، 5 ، 6 ، 7 في هذا الصدد، قدمنا ​​مؤخرا في 4.5 ني 4.5 S 8 باعتبارها دائمة للغاية ونشطة "الصخور" هر إليكتروكاتاليست. هذه المادة وفيرة طبيعيا مستقرة في ظل الظروف الحمضية ويظهر الموصلية الجوهرية عالية مع سطح نشط الحفاز محددة جيدا. 8

في حين تم الإبلاغ عن العديد من المواد ذات الأنشطة هر عالية، وغالبا ما يرافق إعداد الكهربائي مع مشاكل متعددة، على سبيل المثال استنساخ واستقرار مرضية (> 24 ساعة). Additionally، منذ التوصيلية الجوهرية من المواد الحفازة على أساس انتقال المعادن في الجزء الأكبر عادة ما تكون عالية، وإعداد الكهربائي يتطلب محفزات نانو منظم للسماح لنقل الإلكترون كفاءة. ثم يتم تحويل هذه المحفزات إلى حفاز حفاز يحتوي على مواد رابطة مثل نفيون والمحفز. بعد ذلك، الحبر هو المغلفة إسقاط على سطح القطب خامل ( مثل الكربون الزجاجي). في حين كونها مستقرة بشكل معقول في الكثافة الحالية المنخفضة زيادة مقاومة الاتصال والتصاق متواضع من حافزا على دعم القطب عادة ما يلاحظ في كثافة عالية الحالية. 9 ومن هنا، فإن الحاجة إلى أساليب إعداد أكثر كفاية والمواد القطب هو واضح.

يقدم هذا البروتوكول إجراء إعداد رواية لأقطاب دائمة للغاية وفعالة من حيث التكلفة باستخدام المواد السائبة. الشرط المسبق لمثل هذا القطب هو مقاومة المواد جوهرية منخفضة. في 4.5 ني 4.5 S 8 فوليملأ هذا المعيار ويمكن الحصول عليها من العناصر عن طريق التوليف بسيط ارتفاع درجة الحرارة في أمبولات السيليكا مختومة. وتتميز المادة التي تم الحصول عليها فيما يتعلق بهيكلها، التشكل وتكوينها باستخدام مسحوق الأشعة السينية ديفراكتوميتري (بسرد)، التفاضلية المسح الكالوري (دسك) والمجهر الإلكتروني المسح (سيم) والطاقة تشتت الطيفي الأشعة السينية (إدكس). تتم معالجة المواد المصنعة لتحمل نوعين من الأقطاب السائبة، وهما "الصخور" و "بيليه" أقطاب. ثم يتم التحقيق في أداء كل من أنواع القطب باستخدام الاختبارات الكهروكيميائية القياسية و H 2 الكمي يؤديها عن طريق الكروماتوغرافيا الغاز (غ). يتم عرض مقارنة بين أداء كلا النوعين من الأقطاب بالمقارنة مع التجارب التي تستخدم عادة طلاء قطرة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. ارتفاع درجة الحرارة توليف الحديد 4.5 ني 4.5 S 8

ملاحظة: يتم وصف الإجراء الموصوف هنا لتوليف الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 من الأدب. 8 ، 10 التطبيق الصارم من سلالم التدفئة المبلغ عنها هي ذات أهمية عالية لمنع تشكيل الشوائب المرحلة والعيوب من أمبولة السيليكا.

  1. مزيج الحديد (1.66 غرام، 29.8 ملمول) والنيكل (1.75 جم، 29.8 ملمول) والكبريت (1.70 جم، 53.1 ملمول) بدقة في هاون ونقل الخليط إلى أمبولة السيليكا (قطرها 10 ملم).
  2. إخلاء أمبولة بين عشية وضحاها في 10 -2 ملي بار.
  3. ختم أمبولة ووضعه في فرن أنبوبي.
  4. زيادة درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة (رت) إلى 700 درجة مئوية في 5 درجات مئوية / دقيقة تليها خطوة متساوية الحرارة لمدة 3 ساعات.
  5. زيادة درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية في غضون 30 دقيقة و kإيب إيسوثرم لمدة 10 ساعة.
  6. تبرد ببطء العينة إلى رت عن طريق إيقاف الفرن. الكراك أمبولة لجمع المنتج الصلبة. تأكد من فصل في 4.5 ني 4.5 S 8 تماما من شظايا زجاج السيليكا.

2. الوصف المادي

  1. جبل 10 مم × 5 مم × 3 مم قطعة من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 الصخور على صاحب العينة ووضعها في غرفة فراغ صك سيم. تسجيل الصور سيم في 650X و 6،500X التكبير في 20 كيلو فولت. في نفس الوقت، استخدم نفس العينة لتحليل إدكس عند 4.4 كيلو فولت.
  2. لجمع البيانات بسرد، وتطبيق مسحوق الأرض بدقة من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 وتثبيته على رقاقة السيليكون غير متبلور باستخدام الشحوم السيليكون. جبل الرقاقة على حامل العينة وجمع البيانات في وضع المسح المستمر من 10-50 درجة بمعدل مسح 0.03 درجة في 5 ثانية باستخدام الإشعاع النحاس- Kα (λ = 1.5418 Å).
  3. لتحليل موسبور مسحوق ناعم الأرض يستخدم وتوضع في كوب بوليكسيميثيلين (بوم). سجل حقل الصفر موسبور أطياف عند 25 درجة مئوية باستخدام مصدر الإشعاع كو 57 في مصفوفة ر.
  4. لتحليل دسك، يتم وضع مسحوق الأرض بدقة في تاريد α-آل 2 O 3 بوتقة. أداء قياسات دسك في نطاق من رت إلى 1000 درجة مئوية تسجيل التدفئة والتبريد منحنى بمعدل 10 درجة مئوية / دقيقة. إجراء التجربة تحت تدفق النيتروجين عالية النقاء.

3. إعداد "الصخور" أقطاب

  1. لحام الأسلاك النحاسية إلى الطويق الأسلاك.
  2. قطع الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 المواد السائبة إلى قطع أصغر (حوالي 5 مم × 5 مم × 5 مم).
  3. وضع قطعة صغيرة من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 في الطويق بطريقة تقريبا. 2 مم من العصي المواد للخروج من الطويق.
  4. عباءة الطويق والأسلاك النحاسية مع100 مم من أنابيب تفلون.
  5. ختم غيض من القطب مع اثنين من مكون الايبوكسيد الغراء وتجفيف القطب بين عشية وضحاها تحت الظروف المحيطة.
  6. طحن قبالة طرف حتى سطح لامع (النهاية المعدنية) من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 يتعرض. مزيد من البولندية مع غرامة الصف ورقة الرمل (20، 14، 3 و 1 ميكرون حصى) للحصول على سطح أملس.
  7. نظف السطح بالماء منزوع الأيونات واتركه يجف على الهواء.

4. إعداد "بيليه" أقطاب

ملاحظة: تم استخدام أغلفة تفلون بنيت خصيصا مع قضيب النحاس كما الاتصال لأقطاب "بيليه" (قطر 3 ملم).

  1. طحن 50 ملغ من المواد للحصول على مسحوق ناعم من الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 المواد.
  2. ملء مسحوق الأرض بدقة إلى أداة ضغط (3 ملم في القطر) واضغط على المواد مع أقصى قوة الوزن 800 كجم / سم 2 .
  3. إزالة بيلوالسماح من العفن باستخدام حامل المسافة.
  4. تطبيق اثنين من مكون الفضة الايبوكسيد الغراء على قضيب النحاس في تجويف غلاف تفلون. تجنب أي تلوث من غيض من تفلون غلاف.
  5. وضع بيليه في غلاف تفلون. الجانب المسطح من بيليه يجب التمسك ~ 1 مم.
  6. إزالة أي تلوث على غلاف تفلون مع الأنسجة الورقية.
  7. تحقق من الاتصال بين الأسلاك النحاسية والحديد 4.5 ني 4.5 S 8 بيليه مع الفولتميتر لضمان الموصلية المناسبة.
  8. بعد 12 ساعة من علاج الغراء المكون من اثنين في 60 درجة مئوية، يبرد القطب إلى درجة الحرارة المحيطة.
  9. البولندية القطب مع ورقة الرمال (20، 14، 3 و 1 ميكرون حصى) للحصول على سطح مسطح لامعة دافق داخل حالة تفلون.
  10. نظف السطح بالماء منزوع الأيونات واتركه يجف تحت الظروف المحيطة.

5. الكهروكيميائية اختبار الأقطاب الكهربائية

ملاحظة: ذي إكسيريموقد تم إنجاز النمل مع الإعداد القياسية ثلاثة القطب باستخدام الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 القطب كما القطب العامل، حج / أجكل (جلس، بوكل أو 3 M حل بوكل) القطب كالإلكترود المرجعي و بت سلك أو Pt- الشبكة كما القطب مكافحة . تمت تعبئة خلية غاز محكم مجهزة بار تحريك بالكهرباء تتكون من 0.5 م 2 سو 4 لجميع التجارب الكهروكيميائية. لم يتم تبادل بالكهرباء خلال اختبار الكهروكيميائية من القطب. يتم الإشارة إلى جميع الإمكانيات إلى E ري (ري = هيدروجين إلكترود قابل للعكس) وفقا ل E ري = E أغ / أجكل + X + 0.059 ف مع X = 0.197 V (كلوريد مشبع) أو X = 0.210 V (3 M بوكل) غير ذلك.

  1. الخطوات الأولية
    1. ربط جميع الأقطاب الثلاثة مع أسلاك بوتنتيوستات.
    2. إضافة 25 مل من بالكهرباء (0.5 م 2 سو 4 ) في الخلية الكهروكيميائية وضبط الكهربائيةديس لضمان أن أقطاب مغمورة تماما في الحل. في وقت لاحق، والتبديل على بوتنتيوستات.
    3. التبديل على التحريك المغناطيسي.
  2. تنظيف الكهروكيميائية من سطح القطب
    1. إجراء تجربة فولتاميتري دوري (كف) للحصول على نظرة سريعة على العمليات الكهروكيميائية التي يمكن ملاحظتها.
    2. تعيين النطاق المحتمل من 0.2 إلى -0.2 V مع معدل مسح 100 مف / ثانية (منطقة محتملة غير حافزة). وعلاوة على ذلك، تعيين عدد الدورات إلى 20.
    3. بدء عملية ركوب الدراجات والانتظار حتى الانتهاء من الدورة الأخيرة. إذا على الأقل 3 إلى 4 الدورات التي تم الحصول عليها تتزامن، اكتمال تنظيف الكهربائي الكهروكيميائية. في حالة الاختلاف إضافة دورات حتى يتم الحصول على منحنيات مستقرة.
  3. قياس الأداء الحفاز - فولتاميتري الاجتياح الخطي
    1. قبل بدء التجربة تحديد قيمة التعويض R R وأو الإعداد الكهروكيميائية.
    2. حدد البرنامج للتجارب الاجتياح الخطي فولتامتري (لسف) وتعيين النطاق المحتمل من 0.2 إلى -0.6 V ومعدل المسح إلى 5 مف / ثانية، بما في ذلك ط R انخفض في التجربة. بدء التجربة.
    3. كرر التجارب الاجتياح الخطي لضمان استنساخه. في حالة النتائج غير قابلة للتكرار تبدأ من الخطوة 5.2.
  4. قياس الاستقرار والكمية
    1. إجراء تجربة كولوميتري المحتملة التي تسيطر عليها (كيك).
    2. تعيين القدرة على -0.6 V مع وقت التجربة من 20 ساعة على الأقل (72،000 ق).
    3. جمع عينات الغاز في وقت واحد مع حقنة ضيقة الغاز من فراغ الرأس من الخلية مختومة من خلال الحاجز لكل ساعة لمدة 4 ساعات على الأقل من التجربة. حقن العينات في أداة غ لتحديد الكمي وتحديد كمية الهيدروجين المنتجة باستخدام منحنى المعايرة المسجلة على هذا الصك.
  5. تقدير مساحة السطح الكهروكيميائية (إيسكا)
    ملاحظة: لا تحريك حل بالكهرباء خلال هذه التجربة.
    1. تحديد تعويض R R لقياس مقاومة الحل.
    2. حدد نطاق المحتملة بين 0.1 و 0 V في التجربة فولتاميتري دوري وتعيين معدل المسح الضوئي إلى 10 مف ق -1 . استخدم تصحيح التصحيح i R. تعيين عدد دورات التجربة إلى 5.
    3. كرر الخطوات 5.4.1) إلى 5.4.2) لمعدلات مسح 20، 30، 40، 50 و 60 مف s -1 .
    4. من منحنيات السيرة الذاتية الحصول على اختيار الدورة الخامسة لمزيد من التفسير.
    5. تحديد الاختلافات كثافة الشحن الحالية (Δj = j a j ج ) ورسم هذه القيم كدالة لمعدل المسح الضوئي. المنحدر الخطي هو ما يعادل ضعف من طبقة مزدوجة السعة C دل ، وهو يتناسب مع مساحة السطح الكهروكيميائية (إيسسا).
  6. شركة(إيس)
    1. سجل أطياف مقاومة الكهروكيميائية في مدى التردد من 50 كيلو هرتز إلى 1 هرتز في المقابلة الدائرة المفتوحة المحتملة و أوفيربوتنتيال من 0.3 V.
    2. رسم مؤامرة نيكويست من البيانات الواردة لتحديد المقاومة نقل تهمة.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

تم تأكيد التركيب الناجح لفيت 4.5 ني 4.5 S 8 الذي يمتلك بنية بينتلانديت من خلال تجارب حيود الأشعة السينية المسحوقية بسبب وجود بارز (111) و (311) و (222) و (331) و (511) الشكل 1 أ ). ومع ذلك، فإن التحكم السليم في درجة الحرارة أثناء التفا?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

تم إجراء تركيب الحديد 4.5 ني 4.5 S 8 في أمبولة فراغ مختومة لمنع أكسدة المواد أثناء التوليف. خلال التوليف، التحكم في درجة الحرارة هو المفتاح للحصول على منتج نقي. أول، خطوة التدفئة بطيئة جدا وبالتالي يمنع سوبيرهاتينغ من الكبريت، والتي قد تتسبب في تكسير أم?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgements

نشكر B. كونكينا أوند W. ششهمان للمناقشات العلمية القيمة. الدعم المالي من قبل فوندز للصناعة الكيميائية (منحة ليبيغ إلى U- السلطة الفلسطينية) ودويتش فورسشونغزجيمينشافت (منحة إيمي نويثر إلى الولايات المتحدة والسلطة الفلسطينية، AP242 / 2-1).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Iron, powderSigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com12310-500G-R
Nickel, powderSigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com203904-25GH: 351-372-317-412;
P: 281-273-308-313-302+352
Sulfur, powderSigma-Aldrich, http://www.sigmaaldrich.com13803-1KG-RH: 315
Silver Epoxy Glue EC 151 LPolytec PT, http://www.polytec-pt.de/de/161010-1-
Two Component Epoxy Glue Uhu Plus EndfestUhu, http://www.uhu.com- H: 315-319-317-411;
 P: 101-102-261-272-280-302+352-333+313-362-363-305+351+338-337+313
Sulfuric Acid >95%VWR, https://ru.vwr.com231-639-5H: 290-314;
S: (1/2)-26-30-45
PTFE Tube--Prepare 8 cm long peaces
Iron Sleeves--Connect to the copper wire
Copper Wire---
Lapping Film 3µm, 215.9 mm x 279 mm3M, http://3mpro.3mdeutschland.de60-0700-0232-8Polish with a small amount of water
Lapping Film 1µm, 215.9 mm x 279 mm3M, http://3mpro.3mdeutschland.de60-0700-0266-6Polish with a small amount of water
Sand Paper 20 µm, SiC---
Sand Paper 14 µm, SiC---
Dremel Model 225Dremel, https://www.dremeleurope.com2615022565Use grinding pulley wheel for cutting 
Hand Made Pellet PressHand Made--
Stirring Plate---
GAMRY Reference 600GAMRY Instruments, https://www.gamry.com--
Gero Furnace 30-3,000 °Chttp://www.carbolite-gero.de--
Quartz glass ampuleHand Made--
Vacuum pump---
Hydraulic press---

References

  1. May, M. M., Lewerenz, H. -J., Lackner, D., Dimroth, F., Hannappel, T. Efficient direct solar-to-hydrogen conversion by in situ interface transformation of a tandem structure. Nat Comm. 6, 8286(2015).
  2. Sheng, W., et al. Correlating hydrogen oxidation and evolution activity on platinum at different pH with measured hydrogen binding energy. Nat Comm. 6, 5848(2015).
  3. Li, X., Hao, X., Abudula, A., Guan, G. Nanostructured catalysts for electrochemical water splitting: Current state and prospects. J. Mater. Chem. A. 4 (31), 11973-12000 (2016).
  4. Merki, D., Hu, X. Recent developments of molybdenum and tungsten sulfides as hydrogen evolution catalysts. Energy Environ. Sci. 4 (10), 3878(2011).
  5. Kibsgaard, J., Chen, Z., Reinecke, B. N., Jaramillo, T. F. Engineering the surface structure of MoS2 to preferentially expose active edge sites for electrocatalysis. Nat Mater. 11 (11), 963-969 (2012).
  6. Kong, D., Cha, J. J., Wang, H., Lee, H. R., Cui, Y. First-row transition metal dichalcogenide catalysts for hydrogen evolution reaction. Energy Environ. Sci. 6 (12), 3553(2013).
  7. Voiry, D., et al. Enhanced catalytic activity in strained chemically exfoliated WS(2) nanosheets for hydrogen evolution. Nat Mater. 12 (9), 850-855 (2013).
  8. Konkena, B., et al. Pentlandite rocks as sustainable and stable efficient electrocatalysts for hydrogen generation. Nat Comm. 7, 12269(2016).
  9. Jeon, H. S., et al. Simple Chemical Solution Deposition of Co₃O₄ Thin Film Electrocatalyst for Oxygen Evolution Reaction. ACS Appl Mater Interfaces. 7 (44), 24550-24555 (2015).
  10. Xia, F., Pring, A., Brugger, J. Understanding the mechanism and kinetics of pentlandite oxidation in extractive pyrometallurgy of nickel. Mine Eng. 27-28, 11-19 (2012).
  11. Drebushchak, V. A., Kravchenko, T. A., Pavlyuchenko, V. S. Synthesis of pure pentlandite in bulk. J Crystal Growth. 193 (4), 728-731 (1998).
  12. Knop, O., Huang, C. -H., Reid, K., Carlow, J. S., Woodhams, F. Chalkogenides of the transition elements. X. X-ray, neutron, Mössbauer, and magnetic studies of pentlandite and the π phases π(Fe, Co, Ni, S), Co8MS8, and Fe4Ni4MS8 (M = Ru, Rh, Pd). J Solid State Chem. 16 (1-2), 97-116 (1976).
  13. Kullerud, G. Thermal stability of pentlandite. The Canadian Mineralogist. 7 (3), 353-366 (1963).
  14. Siracusano, S., et al. An electrochemical study of a PEM stack for water electrolysis. Int J Hydrogen Energy. 37 (2), 1939-1946 (2012).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

124

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved