Электрокатализ (OER)

История
С быстрым ростом мирового спроса на энергию сжигание ископаемого топлива вызвало ряд экологических проблем.Исследователи в стране и за рубежом привержены изучению чистой энергии и экологически чистых и эффективных устройств хранения и преобразования энергииС преимуществами изобилия ресурсов, чистоты и эффективности, высокой плотности энергии и экологичности водородная энергия является идеальным возобновляемым источником энергии.Источники и хранение водорода являются одним из ключевых факторов, ограничивающих его развитие.В настоящее время методы производства водорода включают производство водорода из ископаемого топлива, производство водорода из биомассы в качестве сырья и расщепление воды.производство водорода путем расщепления воды все больше привлекает внимание людей из-за преимуществ экологической защиты окружающей среды, устойчивость и легкость индустриализации и т. д. Разделение воды включает в себя реакцию эволюции кислорода (OER) и реакцию эволюции водорода (HER).особенно ОЭР, имеют медленную кинетическую скорость, что приводит к высокому избыточному потенциалу и низкой эффективности, что серьезно ограничивает разработку и практическое применение устройств преобразования энергии.Использование электрокатализатора может эффективно снизить энергетический барьер электрокаталитической реакции, ускоряют скорость реакции и уменьшают избыточный потенциал, чтобы OER мог быть эффективно завершен, тем самым повышая эффективность работы устройства преобразования.исследование высокопроизводительных электрокатализаторов ОЭР стало одним из ключевых факторов для повышения производительности устройств преобразования энергии.

Теория
ОЭР является важной полуреакцией электрохимических устройств преобразования энергии, таких как расщепление воды и металлические воздушные батареи.OER - это четырехэлектронный процесс с медленной кинетической скоростью, что ограничивает производительность электрохимических устройств преобразования энергии.ОЭР в кислотных и щелочных условиях включает в себя адсорбцию ООХ*Разница заключается в том, что первым этапом ОЭР в кислотных условиях является диссоциация воды, а конечным продуктом являются H⁺и O₂, в то время как первым этапом ОЭР в щелочных условиях является адсорбция OH^-, и конечным продуктом является H₂О и О₂, как показано в следующей формуле.
Кислотная среда:

Общая реакция:2H₂O → 4H⁺+ О₂+ 4e^-
*+ H₂О, О, О!^*+ H⁺+ e^-
О, да.^*О^*+ H⁺+ e^-
О^*+ H₂O OOH^*+ H⁺+ e^-
ООХ^{* *}+ О₂+ H⁺+ e^-
Алкальная среда:
Общая реакция:4OH^-→ 2H₂О + О₂+ 4e^-
*+ OH^-ОНО^*+ e^-
О, да.^*+ OH^-О^*+ H₂О + е^-
О^*+ OH^-ООХ^*+ e^-
ООХ^*+ OH^{- *}+ О₂+ H₂О + е^-

где * означает активное место на поверхности катализатора, а OOH*, O* и OH* - промежуточные вещества адсорбции.
Согласно четырехступенчатому механизму электронной реакции ОЭР, важные факторы для улучшения каталитической эффективности ОЭР могут быть проанализированы с теоретической точки зрения:
(1) Хорошая проводимость. Поскольку процесс реакции OER представляет собой реакцию с четырьмя электронами, хорошая проводимость определяет быструю передачу электронов,который помогает прогрессу каждой элементарной реакции.
(2) У катализатора сильная адсорбция OH^-Чем больше количество ОГ^-чем легче для последующих трехэтапных электронных реакций продолжить.
(3) Сильная способность химического десорбции кислорода и слабая способность физического адсорбции кислорода.₂молекулы, полученные во время каталитического процесса, более легко десорбируются из активного места катализатора; если физическая кислородная способность адсорбирования слаба, то₂молекулы с большей вероятностью будут осаждаться с поверхности электрода, и скорость реакции OER может быть повышена.Это имеет важное направляющее значение для синтеза и приготовления катализаторов OER.

Оценка эффективности катализатора ОЭР
Первоначальный потенциал и сверхпотенциал
Начальный потенциал является важным показателем каталитической активности электрокатализатора.Многие электрокатализаторы OER содержат элементы переходного металла, такие как FeОни будут подвергаться окислительным реакциям во время процесса ОЭР и генерировать окислительные пики, что является большим препятствием для наблюдения за начальным потенциалом.в процессе ОЭР, более научным и надежным является наблюдение соответствующего сверхпотенциала при плотности тока 10 10 мА см^-2или выше.
Сверхпотенциал получается при помощи линейной волтамметрии с помощью свертывания (LSV).RHE) при специфической плотности тока (обычно 10 mA cm-2) и равновесном потенциале реакции электрода 1.23 V, как правило, в мВ. Как показано на рисунке 1, в зависимости от разницы в сверхпотенциале электрокатализатора OER при плотности тока 10 mA в см-2,Критерии оценки его каталитического эффекта также отличаются.Чем меньше сверхпотенциал, тем меньше энергии требуется для реакции, и тем лучше активность катализатора.Сверхпотенциал катализатора с идеальной каталитической активностью обычно составляет от 200 до 300 мВ.

Напряжение стола
График Тафеля - это кривая связи между потенциалом электрода и поляризационным током.Он может отражать кинетику реакции процесса OER и предполагать механизм реакции процесса OERФормула уравнения:
η = a + b·log
где η представляет собой сверхпотенциал, b представляет собой наклон Тафеля, j - плотность тока, а a - постоянная.Наклон Тафеля, полученный согласно уравнению, может быть использован для выяснения кинетики и скоростных шагов в процессе реакции.Как правило, чем меньше наклон Тафеля, тем меньше барьеры для переноса электронов катализатора во время процесса катализа, и тем лучше каталитическая активность.

Стабильность
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 performanceДля OER существует множество факторов, влияющих на активность электрокатализатора OER. Например, кислотность и базичность раствора будут влиять на стабильность катализатора.Многие электрокатализаторы OER стабильны в щелочных условияхКроме того, контактный путь электрокатализатора и рабочего электрода также оказывает большое влияние на стабильность.прямой рост катализатора in situ на рабочем электроде будет более стабильным, чем органический адгезионный агент на рабочем электроде.
В настоящее время существует два электрохимических теста для оценки устойчивости катализатора. Один из них - хронопотенциометрия (т.е. гальваностатическая).и затем стабильность электрокатализатора оценивается путем наблюдения за изменением потенциала с течением времениАналогичным образом, кривая i-t (т.е. потенциостатическая) также применима для испытания катализатора. Применяя постоянный потенциал на электроде, наблюдая изменение тока со временем,мы можем определить стабильность катализатораВторой - это проведение тысяч или даже десятков тысяч испытаний циклической вольтметрии (CV) на электрокатализаторе в определенном диапазоне потенциального промета,и судить о стабильности электрокатализатора, сравнивая кривые поляризации электрокатализатора до и после циклического испытания вольтметрии.
В дополнение к электрохимическим испытаниям, использование некоторых испытаний характеристики фаз, таких как XRD, XPS, SEM, TEM и т. д.Для сравнения фазовых изменений электрокатализатора до и после катализа также можно использовать для оценки устойчивости электрокатализатора..

Настройка эксперимента
Инструмент: корректный потенциостат
WE: Стеклянный углеродный рабочий электрод с катализатором, равномерно нанесенный на поверхность
RE: Аг/АгCl эталонный электрод
CE: Графитный стержень
Раствор: 0,1 M KOH

Электрохимическое испытание
Активность электрокатализатора
Техника: циклическая вольтметрия (CV)
Диапазон потенциалов: 0 ~ 1 В (против Ag/AgCl)
Скорость сканирования: 50 мВт^-1
Техника ^-1

Электрохимическая импедантная спектроскопия (ЭИС) используется для изучения кинетики электрокаталитической эволюции кислорода катализатора,и импедансный спектр устанавливается путем установки эквивалентной схемыВ схему входят Rs (сопротивление раствора), Rct (сопротивление передачи заряда) и CPE (элемент постоянного фазового угла).
Условия испытания электрохимического импеданса (EIS) составляют 0,5 V (против Ag/AgCl), диапазон испытаний частот составляет 1 Hz ~ 100 kHz, а напряжение нарушения составляет 5 mV.

Стабильность электрокатализатора
Для оценки устойчивости катализатора используются методы потенциостатических, гальваностатических и циклических испытаний вольтамметрии.В гальваностатическом испытании используется соответствующий ток при определенной плотности тока (обычно 10 мА см-2) как постоянный выходный ток., наблюдать изменение напряжения в течение времени испытания (10 ч), а затем оценивать стабильность.Потенциально-статический метод заключается в использовании соответствующего потенциала при определенной плотности тока (обычно 10 мА см-2) в качестве постоянного напряжения выхода, наблюдать изменение тока в течение времени испытания (10 ч), а затем оценивать стабильность.Ag/AgCl) и CV циклически сканируется 1000 циклов.Стабильность катализатора иллюстрируется путем сравнения кривых до и после испытания стабильности и анализа изменений.

Уведомления:

1. RE: Электрод Ag/AgCl следует хранить в темноте без света и не использовать в щелочном растворе в течение длительного времени.Насыщенный электрод каломела не следует использовать в щелочном растворе в течение длительного времени.Электрод Hg/HgO подходит для щелочного раствора.

2. CE- при длительном испытании CV и LSV Pt-проволок или Pt-пластина оседают на поверхности катодного материала.Вам лучше не использовать его в испытаниях не драгоценных металлов в монолитной электролизной ячейке.

3. В стеклянной электролитической ячейке возникают две проблемы: коррозия стекла в щелочном растворе и влияние на активность OER примеси Fe стекла.Если эксперимент не очень точен, стеклянная электролитическая ячейка в порядке; но если вы хотите изучить влияние содержания Fe, рекомендуется использовать политетрафторэтилен.