Elektro kataliz (OER)
Geçmişi
Küresel enerji talebinin hızla artmasıyla birlikte, fosil yakıtların yakılması bir dizi çevresel soruna neden oldu.Yurt içi ve yurtdışındaki araştırmacılar temiz enerjiyi ve çevre dostu ve verimli enerji depolama ve dönüşüm cihazlarını araştırmaya kararlıBol miktarda kaynak, temiz ve verimli, yüksek enerji yoğunluğu ve çevre dostu olma avantajları ile hidrojen enerjisi ideal yenilenebilir enerji kaynağıdır.Hidrojenin kaynağı ve depolanması, gelişimini kısıtlayan kilit faktörlerden biridir.Şu anki hidrojen üretim yöntemleri arasında fosil yakıt hidrojen üretimi, hammadde hidrojen üretimi olarak biyomassa ve su bölünmesi bulunmaktadır.Yeşil çevre koruma avantajları nedeniyle su bölünmesi yoluyla hidrojen üretimi giderek daha fazla dikkat çekiyor, sürdürülebilirlik ve endüstrileşmenin kolaylığı vb. Su bölünmesi oksijen evrim reaksiyonu (OER) ve hidrojen evrim reaksiyonu (HER) içerir.Özellikle OER, yüksek aşırı potansiyele ve düşük verimliliğe yol açan yavaş bir kinetik hıza sahiptir ve bu da enerji dönüştürme cihazlarının geliştirilmesini ve pratik uygulamasını ciddi şekilde kısıtlar.Elektro katalizör kullanımı, elektro katalitik reaksiyonun enerji bariyerini etkili bir şekilde azaltabilir, reaksiyon hızını hızlandırır ve aşırı potansiyeli azaltır, böylece OER etkili bir şekilde tamamlanabilir ve böylece dönüştürme cihazının çalışma verimliliğini arttırır.Yüksek performanslı OER elektrokatalisörlerinin araştırılması, enerji dönüştürme cihazlarının performansını iyileştirmek için kilit faktörlerden biri haline geldi.
Teorisi
OER, su bölme ve metal-hava pilleri gibi elektrokimyasal enerji dönüşüm cihazlarının önemli bir yarı reaksiyonudur.OER, yavaş bir kinetik hızı olan dört elektronlu bir işlemdir., elektrikli kimyasal enerji dönüştürme cihazlarının performansını kısıtlayan. Genel performans.Asitli ve alkali koşullarda OER, her ikisi de OOH'un emilişini içerir*Fark şu ki, asidik koşullarda OER'in ilk adımı suyun ayrılmasıdır ve nihai ürün H+ve O2, OER'in alkali koşullardaki ilk adımı ise OH'nin emilişidir.-, ve son ürünler2O ve O2, aşağıdaki formülde gösterildiği gibi.Asit ortamı:
Genel tepki:2 saat2O → 4H++ O2+ 4e-
*+ H2Oh, oh.*+ H++ e-Oh, hayır.*️ O*+ H++ e-O.*+ H2O OOH*+ H++ e-OOH*- Evet.*+ O2+ H++ e-Alkali ortam:
Genel tepki:4OH-→ 2H2O + O2+ 4e-
*+ OH-- Evet.*+ e-Oh, hayır.*+ OH-️ O*+ H2O + e-O.*+ OH-OOH*+ e-OOH*+ OH-- Evet.*+ O2+ H2O + e-
Burada, * katalizör yüzeyinde aktif siteyi ve OOH*, O* ve OH* adsorpsiyon ara maddelerini gösterir.Dört aşamalı elektronik reaksiyon mekanizmasına göre, OER'lerin katalitik performansını iyileştirmek için önemli faktörler teorik bir bakış açısıyla analiz edilebilir:(1) İyi iletkenlik. OER reaksiyon süreci dört elektron transferi reaksiyonu olduğundan, iyi iletkenlik hızlı elektron transferi belirler,Her bir elementer reaksiyonun ilerlemesine yardımcı olan.(2) Katalizörde OH için güçlü bir emilim vardır.-OH miktarı ne kadar büyükse-Adsorbe edildiğinde, sonraki üç aşamalı elektronik reaksiyonların ilerlemesi daha kolaydır.(3) Yüksek oksijen kimyasal desorpsiyon kapasitesi ve zayıf oksijen fiziksel adsorpsiyon kapasitesi.2Katalitik süreç sırasında üretilen moleküller katalizörün aktif sitesinden daha kolay desorbe edilir; eğer oksijenin fiziksel adsorpsiyon kapasitesi zayıfsa, O2moleküllerin elektrot yüzeyinden düşme olasılığı daha yüksektir ve OER reaksiyon hızı teşvik edilebilir.Bu, OER katalizörlerinin sentezi ve hazırlanması için önemli bir yönlendirici öneme sahiptir..
OER katalizörünün performans değerlendirmesi
Başlangıç potansiyeli ve aşırı potansiyel
Başlangıç potansiyeli, bir elektro katalizörün katalitik aktivitesi için önemli bir göstergedir.Birçok OER elektrokatalisörü Fe gibi geçiş metal elementleri içerir.OER süreci sırasında oksidasyon reaksiyonlarına maruz kalacaklar ve başlangıç potansiyelinin gözlemlenmesi için büyük bir engel olan oksidasyon zirveleri oluşturacaklardır.OER sürecindeAkım yoğunluğu 10 10 mA cm olduğunda ilgili aşırı potansiyeli gözlemlemek daha bilimsel ve güvenilirdir.-2Ya da daha yüksek.Aşırı potansiyel, doğrusal süpürme voltametrisi (LSV) ile elde edilir. Aşırı potansiyel, elektrot potansiyeli (vs.RHE) belirli bir akım yoğunluğunda (genellikle 10 mA cm-2) ve elektrot reaksiyonunun denge potansiyeli 1.23 V, genel olarak mV'de. Şekil 1'de gösterildiği gibi, 10 mA cm-2 akım yoğunluğunda OER elektro katalizörünün aşırı potansiyelindeki farkına göre,katalitik etkisi için değerlendirme kriterleri de farklıdır.Aşırı potansiyel ne kadar küçükse, reaksiyon için daha az enerji gereklidir ve katalizör aktivitesi o kadar iyidir.İdeal katalitik aktiviteye sahip bir OER katalizörünün aşırı potansiyeli genellikle 200 ~ 300 mV arasındadır..
Şekil 1. Katalitik etkinliğin değerlendirme kriterleri
Tafel eğimleri
Tafel grafiği, elektrot potansiyeli ve kutuplaşma akımı arasındaki ilişki eğrisidir.OER sürecinin reaksiyon kinetiklerini yansıtabilir ve OER sürecinin mekanizma reaksiyonunu tahmin edebilirEşitlik formülü şudur:η = a + b·logBurada η aşırı potansiyeli, b Tafel eğimini, j akım yoğunluğunu ve a sabitini temsil eder.Eşitliğe göre elde edilen Tafel eğiminin, reaksiyon sürecinde kinetik ve hız belirleyen adımları açıklamak için kullanılabilmesiGenel olarak, Tafel eğiminin ne kadar küçükse, kataliz süreci sırasında katalizörün elektron transfer bariyerleri o kadar az ve katalitik aktivite o kadar iyidir.
Dayanıklılık
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 performance. OER için, OER elektro katalizörünün aktivitesini etkileyen birçok faktör vardır. Örneğin, çözeltinin asitliği ve bazlığı katalizörün istikrarını etkileyecektir.Birçok OER elektrokatalisörü alkali koşullarda kararlıdırEk olarak, elektro katalizörün ve çalışma elektrodunun temas yolu da istikrar üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.katalizörün in situ çalışmakta olan elektrot üzerindeki doğrudan büyümesi, çalışmakta olan elektrot üzerindeki organik yapışkanlık ajanından daha istikrarlı olacaktır..Şu anda katalizörün istikrarını değerlendirmek için iki elektrokimyasal test vardır.Ve sonra elektrokatalisörün istikrarı zamanla potansiyel değişimini gözlemleyerek değerlendirilir.Benzer şekilde, i-t eğrisi (yani, potansiyostatik) de katalizörü test etmek için uygulanabilir. Elektrot üzerinde sabit bir potansiyel uygulayarak, zamanla akımın değişimini gözlemleyerek,Katalizörün istikrarını belirleyebiliriz.Diğeri, belirli bir potansiyel süpürme aralığında elektro katalizör üzerinde binlerce hatta on binlerce döngüsel voltometri (CV) testi gerçekleştirmektir.ve elektrikli katalizörün kararlılığını, elektrikli katalizörün kutuplaşma eğrilerini döngüsel voltometri testinden önce ve sonra karşılaştırarak değerlendirin..Elektrokimyasal testlere ek olarak, XRD, XPS, SEM, TEM vb. gibi bazı faz karakterifikasyon testlerinin kullanılması.Katalizden önce ve sonra elektro katalizcinin faz değişimlerini karşılaştırmak, elektro katalizcinin istikrarını yargılamak için de kullanılabilir..
Deneyin Kuruluşu
Araç: Düzgün potansiyostatWE: Üstüne eşit şekilde uygulanan katalizörlü cam karbonlu çalışma elektroduRE: Ag/AgCl referans elektroduCE: Grafit çubuğuÇözüm: 0.1 M KOH
Elektrokimyasal test
Elektrokatalisör aktivitesi
Teknik: Döngüsel Voltametri (CV)Potansiyel aralığı: 0~1 V (Ag/AgCl karşısında)Tarama hızı: 50 mV s-1Teknik Linier süpürme voltametri (LSV): Potansiyel aralığı: 0 ~ 1V (Ag / AgCl karşısında), tarama hızı 5 mV s-1
Şekil 2. CV parametrelerinin ayarlanması
Şekil 3. LSV parametrelerinin ayarlanması
Elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS), katalizörün elektro katalitik oksijen evrimi kinetiklerini incelemek için kullanılır.ve bir eşdeğer devre kurarak impedans spektrumu monte edilirDönem Rs (düzeltme direnci), Rct (şarj transfer direnci) ve CPE (daimi faz açı elementi) içerir.Elektrokimyasal impedans (EIS) test koşulları 0,5 V (Ag/AgCl karşısında), frekans test aralığı 1 Hz ~ 100 kHz ve rahatsızlık voltajı 5 mV'dir.
Şekil 4. EIS parametrelerinin ayarlanması
Elektrokatalisör Dayanıklılığı
Potansiyostatik, galvanostatik ve siklik voltametri testleri teknikleri katalizör kararlılığını değerlendirmek için kullanılır.Galvanostatik test, belirli bir akım yoğunluğunda (genellikle 10 mA cm-2) sabit bir akım çıkışı olarak karşılık gelen akımı kullanmaktır., test süresi boyunca gerilim değişimini (10 saat) gözlemleyin ve sonra istikrarı değerlendirin.Potansiyostatik yöntem, belirli bir akım yoğunluğu altında (genellikle 10 mA cm-2) sabit bir voltaj çıkışı olarak karşılık gelen potansiyeli kullanmaktır., test süresi boyunca akım değişikliğini (10 saat) gözlemleyin ve daha sonra istikrarı değerlendirin.Ag/AgCl) ve CV 1000 döngü döngüsünde taratılır.Katalizörün istikrarı, istikrar testinden önceki ve sonrası eğrileri karşılaştırarak ve değişiklikleri analiz ederek gösterilmektedir.
Şekil 5. Parametreler ayarlama
İletişim:
RE: Ag/AgCl elektrodu karanlıkta, ışık olmadan saklanmalı ve alkali çözeltide uzun süre kullanılmamalıdır.Doymuş kalomel elektrodu alkali çözeltide uzun süre kullanılmamalıdır.Hg/HgO elektrodu alkali çözeltme için uygundur.
CE- uzun süreli CV ve LSV testinde, Pt tel veya Pt plaka katot malzemesinin yüzeyinde çökecek.Monolitik elektroliz hücresinde değerli olmayan metal malzemelerin testinde kullanmasan iyi olur..
Cam elektrolitik hücresinde iki sorun vardır: alkali çözeltide camın korozyonu ve camın Fe kirliliğinin OER etkinliğine etkisi.Eğer deney özellikle doğru değilse, bir cam elektrolitik hücre iyi; ama Fe içeriğinin etkisini incelemek istiyorsanız, polytetrafluoroetilen kullanmanız önerilir.
