JoVE Logo

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Dökme materyal Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'i kullanarak elektrotların kolay hazırlanma metodu sunulmuştur. Bu yöntem, geleneksel elektrot üretimine alternatif bir teknik sağlar ve basit bir elektrokatalitik test yöntemi de dahil olmak üzere alışılmamış elektrot malzemeleri için önkoşulları açıklar.

Özet

Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 bileşimine sahip kaya malzemesi pentlandit, elementlerden yüksek sıcaklıkta sentez yoluyla sentezlenmiştir. Malzemenin yapısı ve bileşimi toz X-ışını kırınımı (PXRD), Mössbauer spektroskopi (MB), taramalı elektron mikroskobu (SEM), diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ile karakterize edildi. Pentlandit bulk elektrodlarının iki hazırlama yöntemi sunulmuştur. Birinci yaklaşımda sentetik pentlandit kaya parçası doğrudan bir tel çerçeveyle temas ettirilir. İkinci yaklaşım, Teflon muhafaza içerisinde hareketsiz kılınmış ince öğütülmüş tozdan preslenen pentlandit peletlerini kullanmaktadır. Her iki elektrot da, katıksız bir yöntemle hazırlanırken, yaygın damla kaplama yöntemlerine kıyasla elektrokatalitik dönüşümler sırasında yüksek dayanıklılık ortaya koymaktadır. Burada, suyun sağlanması için bu gibi elektrotların çarpıcı performansını sergiliyoruz.Rogen evrim reaksiyonu (HER) ve elektrokatalitik performansı elektrokimyasal ve gaz kromatografik yöntemlerle değerlendirmek için standart bir yöntem sunmaktır. Ayrıca, endüstriyel şartlar altında elektroliz sırasında elektrotların malzeme sınırlamalarını araştırmak için potansiyostatik yöntemlerle 0.6 V'luk aşırı gerilimde kararlılık testleri sunmaktayız.

Giriş

Güneş ve rüzgar enerjisi gibi dalgalı yenilenebilir enerji kaynaklarının depolanması, fosil yakıtların giderek solup gitmesi ve daha sonra alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç duyması nedeniyle sosyal açıdan önemli bir konudur. Bu bağlamda, hidrojen, temiz yanma işlemi nedeniyle bir moleküler enerji depolama çözümü için umut vadeden bir sürdürülebilir adadır. 1 Ayrıca hidrojen yakıt olarak veya daha karmaşık yakıtlar, örneğin metanol için başlangıç ​​malzemesi olarak kullanılabilir. Karbon nötr kaynakları kullanarak hidrojenin kolay sentezlenmesinin tercih edilen yolu, sürdürülebilir enerjileri kullanarak suyun elektrokimyasal indirgenmesidir.

Halen platin ve onun alaşımları, düşük aşırı potansiyel, hızlı reaksiyon oranı ve yüksek akım yoğunluklarında çalışma olan hidrojen evrim reaksiyonu (HER) için en etkili elektrodatalizörler olarak bilinmektedir. 2 Bununla birlikte, yüksek fiyatı ve düşük doğal bolluğu nedeniyleTernatif olmayan soy metal katalizörleri gereklidir. Değerli olmayan alternatif geçiş metali katalizörlerinin büyük miktarı arasında, özellikle geçiş metali dikeralojidleri (MX2; M = Metal; X = S, Se), yüksek HER aktivitesine sahip oldukları gösterilmiştir. 4 , 5 , 6 , 7 Bu açıdan son zamanlarda Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'i son derece dayanıklı ve aktif bir 'rock' HER elektrokatalist olarak sunduk. Bu doğal olarak zengin malzeme asidik koşullar altında kararlıdır ve iyi tanımlanmış bir katalitik aktif yüzey ile yüksek özünürlüklü iletkenlik gösterir. 8

Yüksek HER aktivitelerine sahip çok sayıda malzeme rapor edilmiş olsa da, elektrod hazırlığı genellikle çoğaltılabilirlik ve tatminkar stabiliteler (> 24 saat) gibi birçok problemle birlikte ortaya çıkar. AdditionallGeçiş metaline dayanan katalizörlerin dökme halindeki esas iletkenliği genellikle yüksek olduğundan, elektrot hazırlığı etkili bir elektron transferi sağlamak için nano yapılı katalizörleri gerektirir. Bu katalizörler daha sonra Nafion ve katalizör gibi birleştiriciler içeren bir katalizör mürekkebine dönüştürülür. Daha sonra, mürekkep atıl bir elektrot yüzeyinde ( örneğin, camsı karbon) damla ile kaplanır. Düşük akım yoğunluklarında makul derecede kararlı olmakla birlikte, artmış temas direnci ve elektrot desteğine katalizörün vasat bir şekilde yapışması, yüksek akım yoğunluklarında yaygın olarak gözlemlenir. Dolayısıyla, daha yeterli hazırlama yöntemlerine ve elektrot malzemelerine ihtiyaç olduğu açıktır.

Bu protokol, dökme malzemeler kullanarak yüksek dayanıklılık ve maliyet tasarruflu elektrotlar için yeni bir hazırlama prosedürü sunmaktadır. Böyle bir elektrod için ön koşul, düşük intrinsik malzemeler direncidir. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 fulBu kriteri doldurur ve mühürlenmiş silis ampullerindeki basit bir yüksek sıcaklık sentezi yoluyla elementlerden elde edilebilir. Elde edilen malzeme, toz Xray difraktometrisi (PXRD), diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı Xray spektroskopisi (EDX) kullanılarak yapısına, morfolojisine ve bileşimine göre karakterize edilir. Sentezlenen malzeme, iki tür yığın elektrodu, yani 'kaya' ve 'pellet' elektrotlarını elde edecek şekilde işlenir. Her iki elektrod tipinin performansı daha sonra standart elektrokimyasal testler kullanılarak araştırılır ve H 2 kantifikasyonu gaz kromatografisi (GC) ile gerçekleştirilir. Her iki tip elektrodun performansının, yaygın olarak kullanılan damla kaplama deneylerine kıyasla karşılaştırması sunulmuştur.

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

Protokol

1. Fe'nin yüksek sıcaklıkta sentezi 4.5 Ni 4.5 S 8

NOT: Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 sentezi için burada tarif edilen prosedür, literatürden uyarlanmıştır. 8 , 10 Bildirilen ısıtma rampalarının sıkı şekilde uygulanması, faz safsızlıklarının oluşmasını ve silika ampülünün kusurlarını önlemek için büyük önem taşır.

  1. Demir (1.66 g, 29.8 mmol), nikel (1.75 g, 29.8 mmol) ve sülfür (1.70 g, 53.1 mmol) harçla iyice karıştırın ve karışımı bir silika ampule (10 mm çap) aktarın.
  2. Ampulü gece 10 -2 mbar'da boşaltın.
  3. Ampulü mühürle tüp şeklindeki bir fırında yerleştirin.
  4. Oda sıcaklığından (RT) sıcaklığı 5 ° C / dakikada 700 ° C'ye, ardından izotermik adımla 3 saat arttırın.
  5. 30 dakika içinde sıcaklığı 1100 ° C'ye yükseltin ve k10 saat boyunca izoterm yapın.
  6. Fırını kapatarak numuneyi RT'ye yavaşça soğutun. Katı ürünü toplamak için ampule kırın. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'i silika cam parçalarından tamamen ayırdığınızdan emin olun.

2. Fiziksel Karakterizasyon

  1. Örnek tutucuya 10 mm x 5 mm x 3 mm Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 taşı monte edin ve SEM enstrümanının vakum haznesine yerleştirin. SEM görüntülerini, 20 kV'de 650X ve 6,500X büyütmede kaydedin. Eşzamanlı olarak, 4.4 kV'de EDX analizi için aynı numuneyi kullanın.
  2. PXRD verilerinin toplanması için Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'in ince öğütülmüş tozunu uygulayın ve silikon yağı kullanarak amorf bir silikon gofret üzerine monte edin. Gofreti numune tutucusuna monte edin ve veriyi Cu-Kα ışınımı (λ = 1.5418 Å) kullanarak 5 saniyede 0.03 ° tarama hızında 10-50 ° 'lik sürekli tarama modunda toplamayın.
  3. Mössbauer analizi için ince öğütülmüş toz kullanılır ve bir polioksimetilen (POM) kaba yerleştirilir. Bir Rh-matrisinde 57 Co radyasyon kaynağını kullanarak, sıfır alanlı Mössbauer spektrumlarını 25 ° C'de kaydedin.
  4. DSC analizi için, ince öğütülmüş toz, katranlı bir α-Al 2 O 3 pota içine yerleştirilir. 10 ° C / dak. Bir hızda ısıtma ve soğutma eğrisini kaydeden RT ila 1.000 ° C aralığında DSC ölçümleri gerçekleştirin. Deneyi, yüksek saflıkta azot akışıyla gerçekleştirin.

3. 'Kaya' Elektrotlarının Hazırlanması

  1. Kablo teline bakır tel lehimleyin.
  2. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 dökme malzemesini daha küçük parçalara (yaklaşık 5 mm x 5 mm x 5 mm) kesin.
  3. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'lik ufak parçayı ferruktaki yaklaşık olarak yaklaşık olarak olacak şekilde yerleştirin. Fermuarın dışına 2 mm malzeme sızar.
  4. Fermuarı ve bakır telini100 mm teflon tüp.
  5. Elektrodun ucunu iki bileşenli epoksit yapıştırıcısı ile sızdırmaz hale getirin ve elektrodu ortam koşulları altında gece boyunca kurutun.
  6. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'in parlak yüzeyi (metalik yüzey) ortaya çıkıncaya kadar ucu bileyin. Pürüzsüz bir yüzey elde etmek için ince dereceli kum kağıdıyla (20, 14, 3 ve 1 um grit) daha da parlatın.
  7. Yüzeyi deiyonize suyla temizleyin ve havada kurumasına izin verin.

4. 'Pellet' Elektrotlarının Hazırlanması

NOT: Pirinç çubuklu özel yapılı teflon muhafazalar, 'pellet' elektrotları (3 mm çap) için temas olarak kullanılmıştır.

  1. Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 maddesinin ince bir tozunu elde etmek için 50 mg malzeme öğüt.
  2. İnce öğütülmüş tozu sıkıştırıcı bir alete (3 mm çaplı) doldurun ve malzemeye maksimum ağırlık kuvveti 800 kg / cm2 ile basın.
  3. Pelini çıkarKalıptan bir mesafe tutucu kullanarak izin verin.
  4. Teflon muhafazasının boşluğundaki pirinç çubuk üzerine iki bileşenli bir gümüş epoksit yapıştırıcı uygulayın. Teflon kasasının ucundaki kirlilikten kaçının.
  5. Pelet Teflon muhafazasına yerleştirin. Pelletin düz tarafı ~ 1 mm kadar çıkıntı yapmalıdır.
  6. Teflon muhafazasındaki herhangi bir kirliliği bir kağıt mendille çıkarın.
  7. Uygun iletkenliği sağlamak için pirinç tel ile Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 pelletinin voltmetre ile temasını doğrulayın.
  8. İki bileşenli tutkalın 60 ° C'de 12 saat kürlenmesinden sonra elektrodu oda sıcaklığına soğutun.
  9. Teflon kasası içinde parlak bir düz yüzey elde etmek için elektrotu kum kağıdıyla (20, 14, 3 ve 1 um grit) parlatın.
  10. Yüzeyi deiyonize su ile temizleyin ve ortam koşullarında kurumasına izin verin.

5. Elektrodların Elektrokimyasal Testleri

NOT: The experimeÇalışma elektrodu olarak Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 elektrodu, referans elektrot olarak Ag / AgCl (doymuş KCl veya 3 M KCl solüsyonu) elektrodu ve karşı elektrot olarak Pt tel veya Pt ızgara kullanılarak standart üç elektrotlu bir kurulum ile gerçekleştirildi . Karıştırma çubuğu ile donatılmış gaz geçirmez bir hücre, tüm elektrokimyasal deneyler için 0.5 MH2SO4 içeren elektrolit ile doldurulmuştur. Bir elektrotun elektrokimyasal testi sırasında elektrolit değişimi yapılmadı. Tüm potansiyellere, belirtilmediği sürece E RHE = E Ag / AgCl + X + 0.059 pH, X = 0.197 V (doymuş KCl) veya X = 0.210 V (3 M KCl) 'ye göre E RHE'ye (RHE = tersinir hidrojen elektrodu) atıf yapılır aksi takdirde.

  1. Ön adımlar
    1. Üç elektrotu da potansiyostatın telleriyle birbirine bağlayın.
    2. Elektrokimyasal hücre içine 25 mL elektrolit (0.5 MH2 SO4) ekleyin ve elektrokimyasal hücreyeElektrodların tamamen çözeltiye batırılmasını sağlamak için. Ardından potansiyostayı açın.
    3. Manyetik karıştırmayı açın.
  2. Elektrot yüzeyinin elektrokimyasal temizliği
    1. Gözlemlenebilen elektrokimyasal prosesler hakkında hızlı bir genel görünüm elde etmek için bir çevrimsel voltametri (CV) deneyi yapın.
    2. Potansiyel aralığını 0,2 - -0,2 V arasında 100 mV / s tarama oranı ile ayarlayın (katalitik olmayan potansiyel alan). Ayrıca, çevrim sayısını 20 olarak ayarlayın.
    3. Bisiklet sürme işlemini başlatın ve son döngü bitene kadar bekleyin. En azından son 3 ila 4 elde edilen döngüler çakışırsa elektrokimyasal elektrot temizliği tamamlanır. Sapma durumunda, kararlı eğriler elde edilinceye kadar daha fazla döngü ekleyin.
  3. Katalitik performansın ölçümü - doğrusal tarama voltametri
    1. Denemeye başlamadan önce i R kompanzasyon değeri fVeya elektrokimyasal kurulum.
    2. Doğrusal tarama voltametrisi (LSV) deneyleri için programı seçin ve 0.2 ila -0.6 V potansiyel aralığını ve taramayı 5 mV / s değerine ayarlayın; deneyde i R damla da dahil olmak üzere. Deneyi başlatın.
    3. Tekrarlanabilirliği sağlamak için doğrusal tarama deneylerini tekrarlayın. Yinelenemeyen sonuçlar durumunda adım 5.2'den başlanmalıdır.
  4. Kararlılık ölçümü ve kantifikasyonu
    1. Kontrollü bir potansiyel coulometry deneyi yapın (TBM).
    2. Potansiyeli en az 20 saat (72.000 s) bir deneme süresiyle -0.6 V olarak ayarlayın.
    3. Aynı anda, deneyin en az 4 saat boyunca her saat için bir septum vasıtasıyla kapalı hücrenin üst boşluğundan bir gaz geçirmez şırınga ile gaz örnekleri topla. Numunelerin nicelleştirilmesi için bir GC enstrümanına enjekte edin ve bu alette kaydedilen bir kalibrasyon eğrisi kullanılarak üretilen hidrojen miktarını belirleyin.
  5. Elektrokimyasal yüzey alanının tahmini (ESCA)
    NOT: Bu deney sırasında elektrolit çözeltisini karıştırmayın.
    1. Çözeltinin direncini ölçmek için i R kompanzasyonunu belirleyin.
    2. Çevrimsel voltametri deneyinde 0.1 ile 0 V arasında bir potansiyel aralığı seçin ve tarama oranını 10 mV s -1 yapın . I R damla düzeltmesini kullanın. Deneme için döngü sayısını 5 olarak belirleyin.
    3. 20, 30, 40, 50 ve 60 mV s -1 tarama oranları için 5.4.1. Ila 5.4.2 arasındaki adımları tekrarlayın.
    4. Elde edilen CV eğrilerinden sonraki yorum için beşinci periyodu seçin.
    5. Şarj akımı yoğunluk farklarını (Δj = j a j c ) belirleyin ve tarama hızının bir fonksiyonu olarak bu değerleri çizin. Doğrusal eğim, elektrokimyasal yüzey alanına (ECSA) orantılı olan iki katmanlı kapasitansın (C dl) iki katına eşdeğerdir.
  6. ElEkokinetik impedans spektroskopisi (EIS)
    1. Karşılık gelen açık devre potansiyelinde ve 0.3 V'luk bir aşırı gerilimde 50 kHz ila 1 Hz frekans aralığında elektrokimyasal impedans spektrumlarını kaydedin.
    2. Yük transfer direncini belirlemek için alınan verilerden Nyquist çizimini çizin.

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

Sonuçlar

Pentlandit yapısına sahip olan Fe 4.5 Ni 4.5 S 8'in başarılı sentezi, belirgin (111), (311), (222), (331) ve (511) yansımaların mevcut olması nedeniyle toz X-ışını kırınım deneyleriyle teyit edilir Şekil 1a ). Bununla birlikte, reaksiyon esnasında uygun bir sıcaklık kontrolü, faz saf maddeler elde etmenin anahtarıdır. Özellikle, karışım daha yüksek bir ısıtma hızında (örn., 20 ° C / dakika...

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

Tartışmalar

Fe 4.5 Ni 4.5 S 8 sentezi, sentez sırasında malzemenin oksidasyonunu önlemek için vakum ile kapatılmış bir ampul içinde gerçekleştirildi. Sentez sırasında, sıcaklık kontrolü, saf bir ürün elde etmek için anahtardır. Birinci, çok yavaş ısıtma aşaması böylece yüksek sülfür basıncına bağlı olarak ampulün çatlamasına neden olabilecek kükürtün aşırı ısınmasını engeller. Daha da önemlisi, numunenin yavaş ısıtılması ile mono-sülfid katı eriy...

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

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

Değerli bilimsel tartışmalar için B. Konkena und W. Schuhmann'a teşekkür ediyoruz. Kimya Endüstrisi Fonds'ın (U.-PA'ya Liebig hibesi) ve Deutsche Forschungsgemeinschaft'ın (U.-PA'ya verilen Emmy Noether hükmü, AP242 / 2-1) maddi destek.

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

Malzemeler

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---

Referanslar

  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.

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

KimyaSay 124inorganik kimyaelektrokatalizbulk elektrotdemir nikel s lf rhidrojen evrim reaksiyonu

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Araştırma

Eğitim

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır