Elettrocatalisi (OER)

Scopo del progetto
Con il rapido aumento della domanda globale di energia, la combustione di combustibili fossili ha causato una serie di problemi ambientali.I ricercatori nazionali ed esteri si impegnano a esplorare l'energia pulita e dispositivi di accumulo e conversione di energia rispettosi dell'ambiente ed efficientiCon i vantaggi di un'abbondanza di risorse, di una qualità pulita ed efficiente, di un'elevata densità energetica e di un'efficacia ecologica, l'energia idrogena è una fonte di energia rinnovabile ideale.l'approvvigionamento e lo stoccaggio dell'idrogeno sono uno dei fattori chiave che ne limitano lo sviluppoGli attuali metodi di produzione di idrogeno comprendono la produzione di idrogeno da combustibile fossile, la produzione di idrogeno da biomassa come materia prima e la scissione dell'acqua.La produzione di idrogeno mediante la scissione dell'acqua attira sempre più l'attenzione delle persone a causa dei vantaggi della protezione ambientale verde, sostenibilità e facilità di industrializzazione, ecc. La scissione dell'acqua comporta una reazione di evoluzione dell'ossigeno (OER) e una reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER).specialmente l'OER, hanno una velocità cinetica lenta, con conseguente sovrapotenziale elevato e bassa efficienza che limita gravemente lo sviluppo e l'applicazione pratica dei dispositivi di conversione dell'energia.L'uso di elettrocatalisti può ridurre efficacemente la barriera energetica della reazione elettrocatalistica, accelerare la velocità di reazione e ridurre il sovrapotenziale in modo che l'OER possa essere completato efficacemente, migliorando così l'efficienza di lavoro del dispositivo di conversione.L'esplorazione di elettrocatalisti OER ad alte prestazioni è diventata uno dei fattori chiave per migliorare le prestazioni dei dispositivi di conversione dell'energia.

Teoria
L'OER è una importante mezza reazione di dispositivi elettrochimici di conversione dell'energia come le batterie di scissione dell'acqua e di metallo-aria.l'OER è un processo a quattro elettroni con una velocità cinetica lenta, che limita le prestazioni dei dispositivi di conversione di energia elettrochimica.l'OER in condizioni acide e alcaline comporta entrambi l'adsorbimento di OOH*La differenza è che il primo passo dell'OER in condizioni acide è la dissociazione dell'acqua, mentre il prodotto finale è l'H⁺e O₂, mentre il primo passo dell'OER in condizioni alcaline è l'assorbimento di OH^-, e i prodotti finali sono H₂O e O₂, come illustrato dalla seguente formula.
Ambiente acido:

Reazione generale:2H₂O → 4H⁺+ O₂+ 4e^-
*+ H₂Oh, oh, oh.^*+ H⁺+ e^-
Oh, sì.^*️ O^*+ H⁺+ e^-
O^*+ H₂O OOH^*+ H⁺+ e^-
OOH^*️^*+ O₂+ H⁺+ e^-
Ambiente alcalino:
Reazione generale:4OH^-→ 2H₂O + O₂+ 4e^-
*+ OH^-- Oh, sì.^*+ e^-
Oh, sì.^*+ OH^-️ O^*+ H₂O + e^-
O^*+ OH^-️ OOH^*+ e^-
OOH^*+ OH^-️^*+ O₂+ H₂O + e^-

Dove, * indica il sito attivo sulla superficie del catalizzatore e OOH*, O* e OH* indicano gli intermedi di adsorbimento.
In base al meccanismo di reazione elettronica in quattro fasi dei REA, i fattori importanti per migliorare le prestazioni catalizzative dei REA possono essere analizzati da un punto di vista teorico:
(1) Buona conduttività: poiché il processo di reazione OER è una reazione di trasferimento di quattro elettroni, la buona conduttività determina il rapido trasferimento di elettroni,che aiuta il progresso di ogni reazione elementare.
(2) Il catalizzatore ha un forte assorbimento di OH^-Maggiore è la quantità di OH^-adsorbiti, più è facile per le successive reazioni elettroniche in tre fasi procedere.
(3) Forte capacità di assorbimento chimico dell'ossigeno e debole capacità di assorbimento fisico dell'ossigeno.₂le molecole prodotte durante il processo catalitico sono più facilmente desorbate dal sito attivo del catalizzatore; se la capacità fisica di assorbimento dell'ossigeno è debole, l'O₂le molecole hanno maggiori probabilità di precipitare dalla superficie dell'elettrodo e la velocità di reazione OER può essere promossa.Ciò ha un'importante importanza guida per la sintesi e la preparazione di catalizzatori OER.

Valutazione delle prestazioni del catalizzatore OER
Potenziale iniziale e sovrapotenziale
Il potenziale iniziale è un indicatore importante per l'attività catalitica di un elettrocatalisatore.Molti elettrocatalizzatori OER contengono elementi metallici di transizione come FeEssi subiranno reazioni di ossidazione durante il processo di OER e genereranno picchi di ossidazione, che costituiscono un grande ostacolo per l'osservazione del potenziale iniziale.nel processo OER, è più scientifico e affidabile osservare il corrispondente sovrapotenziale quando la densità di corrente è 10 10 mA cm^{- Due.}o superiore.
Il sovrapotenziale si ottiene con la voltametria a spazzola lineare (LSV).RHE) ad una densità di corrente specifica (di solito 10 mA cm-2) e il potenziale di equilibrio della reazione dell'elettrodo di 1.23 V, generalmente in mV. Come illustrato nella figura 1, in funzione della differenza di sovrapotenziale dell'eletrocatalisatore OER a una densità di corrente di 10 mA cm-2,i criteri di valutazione del suo effetto catalizzatore sono anche diversiPiù piccolo è il sovrapotenziale, meno energia è necessaria per la reazione e migliore è l'attività del catalizzatore.Il sovrapotenziale di un catalizzatore OER con attività catalitica ideale è generalmente compreso tra 200 e 300 mV.

Pendiente del tavolo
Il grafico di Tafel è la curva di relazione tra il potenziale dell'elettrodo e la corrente di polarizzazione.Può riflettere la cinetica di reazione del processo OER e speculare sul meccanismo di reazione del processo OERLa formula dell' equazione è:
η = a + b·log
Dove η rappresenta il sovrappotenziale, b la pendenza di Tafel, j la densità di corrente e a la costante.La pendenza di Tafel ottenuta secondo l'equazione può essere utilizzata per chiarire la cinetica e i passaggi che determinano la velocità nel processo di reazioneIn generale, più piccola è la pendenza di Tafel, minore è la barriera di trasferimento degli elettroni del catalizzatore durante il processo di catalisi e migliore è l'attività catalitica.

Stabilità
The stability of the catalyst in the catalysis process directly determines whether it can be applied on a large scale in actual production and is one of the important indicators of catalyst performancePer l'OER, ci sono molti fattori che influenzano l'attività dell'eletrocatalizzatore OER. Ad esempio, l'acidità e la basicità della soluzione influenzeranno la stabilità del catalizzatore.Molti elettrocatalizzatori OER sono stabili in condizioni alcalineInoltre, la via di contatto tra l'elettrotalisatore e l'elettrodo di lavoro ha anche una grande influenza sulla stabilità.la crescita diretta del catalizzatore in situ sull'elettrodo di lavoro sarà più stabile dell'agente di adesione organico sull'elettrodo di lavoro.
Attualmente ci sono due test elettrochimici per giudicare la stabilità del catalizzatore.e poi la stabilità dell' elettrocatalisatore viene giudicata osservando il cambiamento del potenziale nel tempoAllo stesso modo, la curva i-t (cioè potenziostatica) è applicabile anche per testare il catalizzatore.Possiamo determinare la stabilità del catalizzatoreL'altro consiste nell'esecuzione di migliaia o addirittura decine di migliaia di prove di voltammetria ciclica (CV) sull'elettrocatalisatore in un certo intervallo di potenziamento,e giudicare la stabilità dell'elettrokatalisatore confrontando le curve di polarizzazione dell'elettrokatalisatore prima e dopo la prova di voltammetria ciclica.
Oltre alle prove elettrochimiche, l'uso di alcune prove di caratterizzazione di fase come XRD, XPS, SEM, TEM, ecc.per confrontare i cambiamenti di fase dell'elettrokatalisatore prima e dopo la catalisi può anche essere utilizzato per giudicare la stabilità dell'elettrokatalisatore.

Impostazione dell'esperimento
Strumento: potenziostato corretto
WE: elettrodo di lavoro a carbonio vetroso con catalizzatore applicato uniformemente sulla superficie
RE: elettrodo di riferimento Ag/AgCl
CE: canna di grafite
Soluzione: 0,1 M KOH

Prova elettrochimica
Attività degli elettrocatalisti
Tecnica: Voltametria ciclica (CV)
Intervallo di potenziale: 0~1 V (rispetto a Ag/AgCl)
Frequenza di scansione: 50 mV s^-1
Tecnica Linear Sweep Voltammetry (LSV): Intervallo di potenziale: 0~1V (rispetto a Ag/AgCl), velocità di scansione 5 mV s^-1

La spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) è utilizzata per studiare la cinetica dell'evoluzione dell'ossigeno elettrocatalistico del catalizzatore,e lo spettro di impedenza è montato stabilendo un circuito equivalenteIl circuito comprende Rs (resistenza alla soluzione), Rct (resistenza al trasferimento di carica) e CPE (elemento ad angolo di fase costante).
Le condizioni di prova dell'impedenza elettrochimica (EIS) sono di 0,5 V (rispetto a Ag/AgCl), l'intervallo di prova di frequenza è di 1 Hz ~ 100 kHz e la tensione di disturbo è di 5 mV.

Stabilità dell' elettrocatalizzatore
Per valutare la stabilità del catalizzatore si utilizzano le tecniche di prova di voltammetria potenziostatica, galvanostatica e ciclica.La prova galvanostatica consiste nell'utilizzare la corrente corrispondente sotto una certa densità di corrente (di solito 10 mA cm-2) come corrente di uscita costante, osservare la variazione di tensione durante il tempo di prova (10 ore) e quindi valutare la stabilità.Il metodo potenziostatico consiste nell'utilizzare il potenziale corrispondente sotto una certa densità di corrente (di solito 10 mA cm-2) come uscita di tensione costante, osservare la variazione di corrente durante il tempo di prova (10 h), e quindi valutare la stabilità.Ag/AgCl) e il CV viene scansionato ciclicamente 1000 cicliLa stabilità del catalizzatore è illustrata confrontando le curve prima e dopo la prova di stabilità e analizzando le variazioni.

Notifiche:

1. RE: L'elettrodo Ag/AgCl deve essere conservato al buio, senza luce, e non utilizzare per lungo tempo in soluzione alcalina.L' elettrodo di calomel saturo non deve essere utilizzato in soluzione alcalina per lungo tempo.L'elettrodo Hg/HgO è adatto per la soluzione alcalina.

2. CE- nel test CV e LSV a lungo termine, il filo Pt o la piastra Pt si depositano sulla superficie del materiale catodico.E' meglio che non lo usiate nel test dei materiali non metallici preziosi nella cella di elettrolitica monolitica..

3. Nella cella elettrolitica di vetro esistono due problemi: la corrosione del vetro nella soluzione alcalina e l'influenza dell'impurità Fe del vetro sull'attività dell'OER.Se l'esperimento non è particolarmente preciso, una cella elettrolitica di vetro va bene; ma se si vuole studiare l'influenza del contenuto di Fe, si raccomanda di utilizzare politetrafluoroetilene.