إعداد واختبار محفزات الخلايا الوقودية Pt/C موضع مناقشة مستمرة في الأوساط العلمية فيما يتعلق بإمكانية تكرار نتائج وأفضل الممارسات. مع العمل المقدم، ونعتزم تقديم برنامج تعليمي خطوة بخطوة لجعل واختبار المواد الحفازة Pt/ج، التي يمكن أن تكون بمثابة نقطة مرجعية للنظم حافزا جديداً.
نقدم برنامج تعليمي خطوة بخطوة لإعداد تبادل البروتون غشاء خلية الوقود (PEMFC) المواد الحفازة، وتتكون من جسيمات نانوية Pt (NPs) أيد في الكربون عالية مساحة سطحية، واختبار أدائها في رقيقة تدوير القرص الكهربائي (TF-استخلاص) القياسات. TF-استخلاص منهجية يستخدم على نطاق واسع محفز الفحص؛ ومع ذلك، يختلف قياس الأداء في بعض الأحيان إلى حد كبير فيما بين المجموعات البحثية. هذه الشكوك تعوق النهوض بالمواد الجديدة حافزا، ونتيجة لذلك، ناقش العديد من المؤلفين ممكن أفضل أساليب الممارسة وأهمية القياس.
ويبرز البرنامج التعليمي visual المزالق المحتملة في اختبار TF-استخلاص المواد الحفازة Pt/ج. هو عرض خلاصة وبروتوكول الاختبار لتقييم العوامل الحفازة Pt/C القياسية التي يمكن استخدامها جنبا إلى جنب مع الأقراص Pt الكريستالات كعوامل حفازة القياسي. وتبرز هذه الدراسة على وجه الخصوص، كيف تؤثر خصائص الفيلم محفز على مسرى الكربون زجاجي (GC) قياس الأداء في اختبار استخلاص TF. للحصول على الأفلام محفز رقيقة، ومتجانسة، ليس فقط إعداد محفز، ولكن أيضا ترسب الحبر وتجفيف إجراءات ضرورية. ثبت أن إجراء تعديل للأس الهيدروجيني الحبر قد يكون التحكم الضرورية، وكيف بسيط قياسات يمكن استخدامها للتحقق من جودة الفيلم. حالما يتم الحصول على قياسات TF-استخلاص استنساخه، تحديد تحميل حزب العمال على دعم حفاز (معبراً عنها كنسبة مئوية بالوزن Pt) ومساحة السطح الكهروكيميائية ضروري لتطبيع معدلات تفاعل مصممة للمساحة السطحية أو كتلة حزب العمال. لتحديد المساحة السطحية أو ما يسمى CO تجريد أو تحديد المسؤول عن ترسب أونديربوتينتيال (حمحدث) الهيدروجين، هي المعيار. لتحديد تحميل حزب العمال، وهو عرض إجراء بسيطة ورخيصة باستخدام الهضم في أكوا regia مع التحويل اللاحقة من Pt(IV) إلى Pt(II) والأشعة فوق البنفسجية-مقارنة القياسات.
الاستخدام المتزايد لمصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح أو الطاقة الشمسية تتطلب القدرة على تخزين وإعادة تحويل كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية. وفي هذا الصدد، تطبيق حاملات الطاقة الكيميائية، مثل الهيدروجين، هو طريق وأعد1. التحليل الكهربائي الماء يمكن إنتاج الهيدروجين من الطاقة الكهربائية الزائدة، بينما بيمفكس كفاءة إعادة تحويل الهيدروجين إلى الكهرباء. ومع ذلك، يحتاج محتوى المعادن (PGM) المجموعة الثمينة في بيمفكس لتطبيقات واسعة النطاق، مثل السيارات، سيخفض إلى حد كبير إلى انخفاض التكاليف. في المؤلفات العلمية، تعرض عدة نظم محفز2 ، الذي يقال أن يحمل إمكانات لتلبية هذه الاحتياجات استناداً إلى استخلاص TF هالفسيل الاختبار3.
TF-استخلاص القياسات أصبحت شعبية للغاية في البحث بيمفك وتستخدم الآن كطريقة قياسية للمقارنة بين مختلف العوامل الحفازة PEMFC. بيد للمواد الحفازة مماثلة، الاختلافات الكبيرة في نشاط رد فعل (أور) تخفيض الأكسجين أو المساحات السطحية الكهروكيميائية (اكسى) كثيرا ما ترد بالبحث مختلف المجموعات4. نتيجة لذلك، عدة بحوث المجموعات التي عملت على تحسين إجراءات تجريبية وتحديد إجراءات ممارسة أفضل لكيفية اختبار المواد الحفازة بيمفك5. في البداية، كانت عوامل مثل التلوث من القطب مرجعية، وتعويض الأشعة تحت الحمراء، إلخ ، محفز تحميل أبرز6،،من78؛ في حين، في السنوات الأخيرة، بدأ تأثير خصائص الفيلم محفز على الأداء التركيز9،10. على سبيل المثال، يمكن أن يتبين أن النشاط أور و ECSA تعتمد على تكوين الحبر محفز، الذي بدوره يؤثر على تجانس الفيلم محفز على مسرى الكربون زجاجي (GC) بمثابة الركيزة. الزيادة الملحوظة في المساحة السطحية Pt المقاسة عند إضافة الكحول للحبر محفز خاصة يثير الدهشة للوهلة الأولى، ولكن هذه النتائج تشير إلى أهمية الدعم الكربون التبول. عامل آخر هام (ويرتبط) هو النقل الجماعي. TF-استخلاص يقتصر على انخفاض الكثافة الحالية نظراً لأن القابلية للذوبان غاز منخفض في الكهرباء11،،من1213. ولذلك، فإنه كثيرا ما يفترض أن مادة التفاعل للنقل الجماعي في هذه الطبقات رقيقة للغاية محفز (ca. 1 ميكرومتر)، يلعب دوراً محدودا. ومع ذلك، في العمل مؤخرا جداً، فقد ظهر أن تعديل درجة الحموضة الحبر، يؤدي إلى زيادة كبيرة في نشاط أور في المواد الحفازة الصنع14. هذه أمثلة على تسليط الضوء على أن في استخلاص TF القياسات، عناية ضوابط ضرورية، واعتماداً على العامل الحفاز، أنه قد يكون من الصعب تحديد معيار واحد اختبار البروتوكول/الوصفة.
ولذلك، في العمل المقدم، ونحن نناقش إجراء خطوة بخطوة لتجميع واختبار عامل حفاز خلية الوقود Pt/C قياسية. ويشمل الإجراء التوليف الحفاز وتوصيفه، وإعداد الحبر والتكيف، فضلا عن استخلاص TF القياسات الكهروكيميائية. والغرض من هذا الإجراء هو تعزيز الوعي فيما يتعلق بمصادر معينة من الأخطاء والمزالق التجريبية، فضلا عن تقديم وصفه لعامل حفاز معيار Pt/ج ممكن.
فمن المعروف جيدا أن نشاط أور محفزات ارتفاع المساحة تقاس بتقنية استخلاص TF درجة عالية يعتمد على توحيد محفز رقيقة6،9،،من1014،19 . وصلت مجموعات عدة أساليب التصنيع للأغشية الرقيقة محفز متجانس على أقطاب GC والباحثين بعناية ينبغي تحسين طريقة التجفيف عند دخول هذا المجال البحوث20. استخدام أساليب التناوب19 يتيح قدرا أكبر من المرونة في طلاء سمكا محفز الأفلام، بينما أساليب ثابتة على الميزة التي يمكن إعدادها أقطاب متعددة في نفس الوقت. كمثال لطريقة التجفيف ثابتة، شينوزاكي et al. ذكرت مؤخرا أن محفز موحدة الأغشية الرقيقة ملفقة بتجفيف الحبر محفز في جو IPA10. تصنيع الأغشية الرقيقة محفز في هذا البروتوكول يستند على طريقتهم. ومع ذلك، هي المجففة الأحبار محفز في تدفق غاز هوميديفيد بدلاً من جو ثابتة (بروتوكول 3.3.2). وميزة هذا الأسلوب تم التعديل أن شرط التجفيف يمكن تعديلها بسهولة عن طريق تغيير النسبة بين الاستثمار والمياه في ببلير. الرقم 8 يشير إلى أن توحيد رقيقة محفز هو الأمثل عن طريق تغيير حالة الترطيب.
الشكل 8: صور فوتوغرافية للعامل الحفاز رقيقة الأفلام ملفقة على أقطاب GC مع مختلف ظروف التجفيف. تم تغيير النسبة بين الايزوبروبانول (IPA) وح2س في ببلير لتحسين ظروف التجفيف. (أ) أصد 100%، ومعهد الإدارة العامة (ب) 90%/10 ٪ ح2س، أصد (ج) 80 ٪/20 ٪ ح2س، معهد الإدارة العامة (د) 70%/30 ٪ ح2سين (ج) ميزات أفضل تجفيف الظروف في هذه الحالة، كمحفز الأكثر تجانساً رقيقة افتراء على مسرى GC. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
كما وجدنا أن الرقم الهيدروجيني للأحبار محفز معياراً هاما يكون الأمثل للحصول على محفز متجانس الأغشية الرقيقة، وكما ذكرت في الأدبيات14. يوضح الشكل 9 استقرار أحبار محفز مع الأس الهيدروجيني مختلفة متفاوتة. حيث يتم استخدام HCl لغسل Pt NPs في البروتوكول 1.3.3، يصبح الحبر محفز الحمضية دون إضافة كوه عادة. الحبر محفز الحمضية ليست مستقرة بصفة خاصة وتسوية معظم الجسيمات محفز Pt/ج إلى الأسفل 1 أسبوع بعد sonication. حبر محايد أكثر استقرارا من الحبر الحمضية، على الرغم من أن تعتبر بعض رواسب في القاع. الحبر القلوية هو الأكثر استقرارا ومتسرعا لا ينظر إلى أسبوع واحد بعد sonication. ويفسر هذا الاعتماد على درجة الحموضة من استقرار الحبر محفز حجم زيتا المحتملة، التي تصبح أكبر مع زيادة درجة الحموضة14.
الشكل 9: صور فوتوغرافية للأحبار محفز مع الأس الهيدروجيني مختلفة: الأس الهيدروجيني (يسار) ≈ 4, ≈ الأس الهيدروجيني (الأوسط) 7, ≈ الأس الهيدروجيني (يمين) 10. يتم أخذ الصور الفوتوغرافية 1 أسبوع بعد sonication. تشتت الحبر الحمضية كثير أقل استقرارا من المحايدة والحبر القلوية.
ليس فقط استقرار الأحبار محفز، ولكن أيضا توحيد حافز الحصول على رقيقة يعتمد على درجة حموضة الحبر محفز. يتم الحصول على الأغشية الرقيقة محفز مكتل عاليا عندما تكون حمضية الأحبار المستخدمة (الشكل 10a، د). على الرغم من أن هناك أي فرق معتد به مرئياً للعين بين طبقات رقيقة محفز ملفقة من الحبر محايدة ومن الحبر القلوية (الشكل 10 باء، وجيم)، SEM الصور تكشف عن أن هناك بعض اجلمرتر في محفز رقيقة تم الحصول عليها من الحبر محايدة، بينما تعتبر لا اجلمرتر كبيرة في محفز رقيقة من الحبر القلوية (الرقم 10e، و).
رقم 10: نقل صور الأفلام محفز على الورق (أ-ج) ووزارة شؤون المرأة صور الأفلام محفز على أقطاب GC (د-و)- (أ، د) فيلم محفز ملفقة من الحمضية (pH ≈ 4) الحبر والفيلم (باء، هاء) محفز ملفقة من حبر محايد (الرقم الهيدروجيني ≈ 7)، وفيلم (ج، و) محفز ملفقة من القلوية (pH ≈ 10) الحبر. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
بالإضافة إلى نوعية الأفلام محفز، يؤثر معدل مسح4 وتعويض مقاومة الخلية تصميم النشاط أور8. في الإعداد القياس لدينا، مقاومة الخلية دون تعويض الأشعة تحت الحمراء هو عادة حوالي 30 Ω. انخفض إلى أقل من 3 Ω باستخدام الأشعة تحت الحمراء-تعويض بوتينتيوستات (الشكل 11 ألف، باء). تتم مقارنة تقاس في س2 اﻻلكتروﻻيت مشبعة مع أو بدون تعويض الأشعة تحت الحمراء في الشكل 11 ج. ويعتبر احتمال تحول ملحوظ بسبب مقاومة الخلية في حوالي 0.9 Vستراتهم، حيث يتم تقييم نشاط أور. كمعدل المسح الضوئي LSV، اخترنا 50 أم ق-1، بينما المجموعات الأخرى5 تفضل غالباً ما يتم اختبار 20 mV s-1 وغشاء القطب الجمعيات (الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف) تحت ظروف حالة ثابتة4. وبصفة عامة، يمكن القول للدراسات TF-استخلاص أن انخفاض معدل المسح الضوئي، قياس أكثر يصبح عرضه للتلوث المحتملة. في الاختبار، وشركة طيران الشرق الأوسط تطبق التيارات أعلى بكثير. وبخاصة لتطبيقات السيارات، الطاقة عالية الأداء المثير للاهتمام لا سيما21. مسح الإمكانات يؤدي إلى أخطاء كبيرة إذا تم تطبيق أي تعويض الأشعة تحت الحمراء على الإنترنت.
بسبب هذه الاختلافات، ينبغي أن تؤخذ مباشرة توقعات أداء شركة طيران الشرق الأوسط استناداً إلى قياسات TF-استخلاص مع توخي الحذر. ينبغي اعتبار TF-استخلاص طريقة سريعة لشاشة اختبار النشاط أور الجوهرية من المواد الحفازة PEMFC، بدلاً من بديل لاختبار طيران الشرق الأوسط.
رقم 11: تأثير الأشعة تحت الحمراء-التعويض عن القياس. (أ، ب) لقطات واجهة البرنامج “EC4 دق” مع أو بدون تعويض الأشعة تحت الحمراء. (ج) قياس لسفس في س2 المشبعة اﻻلكتروﻻيت مع التعويض عن الأشعة تحت الحمراء (الحمراء) ودون الأشعة تحت الحمراء-التعويض (الرمادي) (50 s mV-1، 1,600 في الدقيقة، عودة الأرض مطروحاً). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
ويرد الإجراء عموما في الرقم 12. بالإضافة إلى أساليب توصيف معيار بحث، إلى الحصول على تعليق Pt NPs الغروية ومحفِّز Pt/ج يمكن أيضا أن يحقق بأساليب أكثر تقدما مثل زاوية صغيرة بالأشعة السينية ونثر (ساكسس)22 أو طيف امتصاص الأشعة السينية (شاس) 23.
الشكل 12: نظرة عامة على الخطوات التجريبية. وترد أساليب توصيف مناظرة والمعلمات السيطرة عليها لكل خطوة تجريبية في هذا البروتوكول. تيم = مجهر إلكتروني، ساكسس تبعثر الأشعة السينية زاوية صغيرة، اكسافس = = الموسعة امتصاص الأشعة السينية بنية دقيقة، شانس = الأشعة السينية استيعاب بنية دقيقة، برنامج المقارنات الدولية–مرض التصلب العصبي المتعدد = الحث يقترن البلازما الكتلي، DLS = تشتت الضوء الديناميكي، اتفاقية مكافحة التصحر = جهاز اقتران، ووزارة شؤون المرأة = المسح الضوئي المجهر الإلكتروني. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
The authors have nothing to disclose.
J.Q. وشهادة الماجستير الاعتراف بدعم من مؤسسة فيلوم في شكل راتب كتلة. مي وماجستير الاعتراف بدعم من تويوتا البحث والتطوير المركزية مختبرات د.، وشركة J.Q. قد تلقت تمويلاً من أفق 2020 البحث الاتحاد الأوروبي في والابتكار البرنامج تحت Skłodowska ماري كوري-منح اتفاق 703366 لا.
Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 293237-1L | 99.8% |
Sodium hydroxide | Fisher Chemical | AC134070010 | 98% |
Hexachloroplatinic(IV) acid hexahydrate | Alfa Aesar | 11051 | 99.9% |
Hydrochloric acid | Merck | 1003171000 | 37% |
Nitric acid | Any | 60% | |
Sulfuric acid | Any | 96% | |
Perchloric acid | Merck | 1005170250 | 70%, Suprapur |
Potassium hydroxide hydrate | Merck | 1050020500 | 99.995%, Suprapur |
Tin(II) chloride dihydrate | Sigma-Aldrich | 31669-100G | >98% |
Platinum standard for AAS | Sigma-Aldrich | 47037-100ML | 1000 mg/L ±4 mg/L |
Acetone | Alfa Aesar | 30698 | 99.5+% |
Isopropanol | Alfa Aesar | 36644 | 99.5% |
Carbon black | Cabot | Vulcan XC 72R | |
46 wt.% Pt/C | Tanaka Kikinzoku Kogyo | TEC10E50E | |
Ar gas | Air Liquide | 99.999% | |
O2 gas | Air Liquide | 99.999% | |
CO gas | Air Liquide | 99.97% | |
H2 gas | Air Liquide | 99.999% | |
Microwave reactor | CEM | Discover SP | |
Centrifuge | Corning | 6759 | |
Rotary evaporator | KNF | RC600 | |
Ultrasonic bath | Qualilab | USR 54 H | 35 kHz, 160/320 W |
Filter paper | Albet | DP595 055 | Retention rate 4-7 µm, φ55 mm |
Crucible | VWR | 459-0202 | 12 mL |
Lid for crucible | VWR | 459-0216 | φ35 mm |
pH meter | VWR | Symphony SP70P | |
Glass electrode (for pH meter) | Mettler Toledo | InLab Routine | |
Light scattering | Anton Paar | Litesizer | |
TEM microscope | FEI | Tecani Spirit | |
TEM grid | Quantifoil | N1-C73nCu20-01 | Classic carbon film, Cu 200 mesh |
TEM grid | Quantifoil | Classic holey carbon film, Cu 200 mesh | |
TEM grid | Quantifoil | N1-C74nCu20-01 | Classic lacey carbon film, Cu 200 mesh |
UV-vis spectrophotometer | Varian | CARY 5E | |
Saturated calomel electrode | Schott | B3510+ | |
Perfluorinated membrane | Fuel Cell Store | 591239 | Nafion 117 |
RDE rotator | Raiometer Analytical | EDI101 | |
Potentiostat | Nordic Electrochemisty | ECi 200 | |
Control and data acquisition program | Nordic Electrochemisty | EC4 DAQ | |
Data analysis program | Nordic Electrochemisty | EC4 VIEW |