Die elektrokatalytische Reaktionstechnologie ist eine der Schlüsselmethoden, die diese Energieumwandlungs- und Umweltreinigungswege antreibt.

In den letzten Jahren sind mit der Entwicklung der Gesellschaft und dem Fortschritt der Menschheit zunehmend schwerwiegende Energie- und Umweltprobleme zu einem weltweiten Problem geworden, das dringend gel?st werden muss. Die Menschen setzen sich für die effektive Nutzung neuer Energiequellen und nachhaltige Reinigungsmethoden der Umwelt ein. Die aktuellen effektiven Forschungsmethoden zur F?rderung der Energieumwandlung und Umweltreinigung umfassen viele Richtungen, wie z. B. die Entwicklung von Brennstoffzellen, die Wasserstoffproduktion, die CO2-Ressource und die organische katalytische Umwandlung von Abgas. Die elektrochemischen Testmethoden als theoretischer Leitfaden bieten eine rationale Interpretationshilfe für die Entwicklung der Elektrokatalysatorleistung. Dieses Papier fasst die elektrochemischen Testmethoden zusammen, die üblicherweise in mehreren elektrochemischen Reaktionen verwendet werden.

Abbildung 1 Elektrokatalytischer Prozess zur nachhaltigen Energieumwandlung

Zyklische Voltammetrie (CV) ist die am h?ufigsten verwendete Forschungsmethode zur Bewertung unbekannter elektrochemischer Systeme. Sie wird haupts?chlich durch Steuern des Elektrodenpotentials mit unterschiedlichen Raten und ein- oder mehrmaliges Scannen mit einer dreieckigen Wellenform über die Zeit erhalten. Strom-Potential-Kurve (iE). An den Elektroden k?nnen in unterschiedlichen Potentialbereichen abwechselnd unterschiedliche Reduktions- und Oxidationsreaktionen ablaufen. Die Reversibilit?t der Elektrodenreaktion kann anhand des Kurvenverlaufs beurteilt werden; die Adsorptions- und Desorptionspeaks der Reaktanten k?nnen zur Bewertung des Elektrokatalysators nach dem spezifischen Potentialbereich verwendet werden. Der katalytisch aktive Bereich kann auch genutzt werden, um nützliche Informationen über komplexe Elektrodenreaktionen zu erhalten.

Abbildung 1.1 Scan-Strompotential-Antwortkurve

Wie in Abb. 1.1 gezeigt, wird das Potential der ersten H?lfte in Richtung der Kathode gescannt, und die elektroaktive Substanz wird an der Elektrode reduziert, um eine Reduktionswelle zu erzeugen. Wenn das Potential der letzteren H?lfte in Richtung der Anode abgetastet wird, wird das Reduktionsprodukt erneut an der Elektrode oxidiert, um eine Oxidationswelle zu erzeugen. Zwei nützliche Parameter der zyklischen Voltammetrie-iE-Kurve sind das Spitzenstromverh?ltnis ipa/ipc und die Spitzenpotentialdifferenz Epa-Epc. Für die Nernstwelle des stabilen Produktes ist das Spitzenstromverh?ltnis ipa/ipc = 1, unabh?ngig von Scangeschwindigkeit, Diffusionskoeffizient und Kommutierungspotential. Wenn die Kathodenabtastung gestoppt wird, wird der Strom auf 0 verringert und dann die Abtastung umgekehrt. Die erhaltene iE-Kurve ist genau die gleiche wie die Kathodenkurve, aber in der entgegengesetzten Richtung der I-Koordinate und der E-Koordinate gezeichnet. Das Verh?ltnis ipa/ipc weicht von 1 ab, was anzeigt, dass der Elektrodenprozess kein vollst?ndig reversibler Reaktionsprozess mit homogener Kinetik oder anderen Komplikationen ist. Die H?he und Fl?che des Reaktionspeaks k?nnen verwendet werden, um Systemparameter wie die Konzentration elektroaktiver Spezies oder die Geschwindigkeitskonstante der gekoppelten homogenen Reaktion abzusch?tzen. Die CV-Kurve ist jedoch keine ideale quantitative Methode, und ihr starker Nutzen liegt eher in ihrer qualitativen halbquantitativen Beurteilungsf?higkeit.

Die Pulsvoltammetrie ist ein elektrochemisches Messverfahren, das auf dem Verhalten polarographischer Elektroden basiert. Es wird verwendet, um den Redoxprozess in verschiedenen Medien, die Adsorption von Oberfl?chenmaterialien auf Katalysatormaterialien und den Elektronenübertragungsmechanismus auf der Oberfl?che chemisch modifizierter Elektroden zu untersuchen. Die Erkennung ist besonders effektiv. Pulsvoltammetrie umfasst Stufenvoltammetrie, herk?mmliche Pulsvoltammetrie, differentielle Pulsvoltammetrie und Rechteckwellenvoltammetrie, je nachdem, wie die Spannung abgetastet wird. Unter ihnen ist die Stufenvoltammetrie der Potential-Sweep-Methode ?hnlich, und die Reaktion der meisten Systeme auf die h?here Aufl?sung (ΔE < 5 mV) des Stufen-Volt-Ampere ist den Ergebnissen des linearen Scan-Experiments mit der gleichen Scan-Geschwindigkeit sehr ?hnlich.

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie besteht darin, ein gest?rtes elektrisches Signal an das elektrochemische System anzulegen. Im Gegensatz zum linearen Abtastverfahren ist das elektrochemische System weit vom Gleichgewichtszustand entfernt, und dann wird die Reaktion des Systems beobachtet und die elektrochemischen Eigenschaften des Systems werden durch das elektrische Antwortsignal analysiert. Elektrochemische Impedanzspektroskopie wird h?ufig verwendet, um die ORR-Reaktion in PEM-Brennstoffzellen zu analysieren, zu bewerten, den Diffusionsverlust an der Oberfl?che des Katalysatormaterials zu charakterisieren, den ohmschen Widerstand abzusch?tzen und die Eigenschaften der Ladungsübertragungsimpedanz und der Doppelschichtkapazit?t zu bewerten und zu optimieren die Membran-Elektroden-Einheit.

Das Impedanzspektrum wird üblicherweise in Form eines Bode-Diagramms und eines Nyquist-Diagramms gezeichnet. Im Bode-Diagramm sind Betrag und Phase der Impedanz als Funktion der Frequenz aufgetragen; im Nyquist-Diagramm ist an jedem Frequenzpunkt der Imagin?rteil der Impedanz relativ zum Realteil aufgetragen. Der Hochfrequenzbogen spiegelt die Kombination aus der Doppelschichtkapazit?t der Katalysatorschicht, der effektiven Ladungsübertragungsimpedanz und dem ohmschen Widerstand wider, der die durch Stoffübertragung erzeugte Impedanz widerspiegelt. Für ein bestimmtes System sind die beiden Bereiche manchmal nicht gut definiert.

Abbildung 3.1 Impedanzspektrum des elektrochemischen Systems

Abbildung 3.1 zeigt die extremen Eigenschaften der kinetischen Kontrolle und der Stofftransportkontrolle. Für jedes gegebene System sind die beiden Bereiche jedoch wahrscheinlich nicht gut definiert. Ausschlaggebend ist das Verh?ltnis zwischen dem Ladungsübergangswiderstand und der übertragungsimpedanz. Wenn das chemische System langsam in der Kinetik ist, zeigt es einen gro?en Rct, der einen sehr begrenzten Frequenzbereich zu haben scheint. Wenn das System dynamisch ist, spielt der Materialtransfer immer eine führende Rolle, und halbkreisf?rmige Bereiche sind schwer zu definieren.

Das Chronoamperometrie-Verfahren ist ein transientes Kontrollverfahren, das verwendet werden kann, um die Adsorption und Diffusion der Katalysatoroberfl?che zu bewerten. Die Chronoamperometriekurve wird durch Anlegen einer Potentialstufe an das elektrochemische System erhalten, um die ?nderung des Stromantwortsignals über die Zeit zu messen. Wenn ein Potentialsprung gegeben ist, wird die grundlegende Wellenform in Abbildung 4.1(a) gezeigt, und die Oberfl?che der festen Elektrode wird mit einem elektroaktiven Material analysiert. Nachdem der Potentialschritt angelegt wurde, werden die elektroaktiven Spezies nahe der Oberfl?che der Elektrode zuerst zu einem stabilen Anionenradikal reduziert, was einen gro?en Strom erfordert, da der Prozess unmittelbar zum Zeitpunkt des Schritts stattfindet. Der danach flie?ende Strom wird verwendet, um die Bedingungen aufrechtzuerhalten, unter denen das oberfl?chenaktive Material der Elektrode vollst?ndig reduziert wird. Die anf?ngliche Reduktion verursacht einen Konzentrationsgradienten (dh Konzentration) zwischen der Elektrodenoberfl?che und der Volumenl?sung, und das aktive Material beginnt somit kontinuierlich zur Oberfl?che zu diffundieren und zur Elektrode zu diffundieren. Das Aktivmaterial an der Oberfl?che wird sofort vollst?ndig abgebaut. Der Diffusionsfluss, also der Strom, ist proportional zum Konzentrationsgradienten der Elektrodenoberfl?che. Es ist jedoch anzumerken, dass mit fortschreitender Reaktion das aktive Material in der Massenl?sung kontinuierlich zur Oberfl?che der Elektrode diffundiert, wodurch bewirkt wird, dass sich der Konzentrationsgradientenbereich allm?hlich in Richtung der Massenl?sung und der Oberfl?chenkonzentrationsgradient der Festelektrode allm?hlich ausdehnt wird kleiner (ersch?pft) und der Strom ?ndert sich allm?hlich. klein. Die Konzentrationsverteilung und der Strom über der Zeit sind in Abbildung 4.1(b) und Abbildung 4.1(c) dargestellt.

Abbildung 4.1 (a) Schritt experimentelle Wellenform, Reaktant O reagiert nicht bei Potential E1, wird bei E2 bei Diffusionsgrenzgeschwindigkeit reduziert; (b) Konzentrationsverteilung zu verschiedenen Zeiten; (c) Strom-gegen-Zeit-Kurve

Die Technologie der rotierenden Scheibenelektrode (RDE) ist sehr nützlich bei der Untersuchung der gekoppelten homogenen Reaktion der Katalysatoroberfl?che, so dass die elektrochemische Reaktion auf der Oberfl?che des Katalysators unter einer relativ station?ren Bedingung durchgeführt wird. RDE kann Substanzen mit langsamerer Diffusion steuern, wie z. B. Gas, das leicht in die L?sung diffundiert, wodurch der Einfluss der Diffusionsschicht auf die Stromdichteverteilung verringert wird. Somit wird eine stabile Stromdichte erhalten, die sich in einem ann?hernd station?ren Zustand befindet, was für das Verfahren der elektrochemischen Analyse vorteilhaft ist; RDE kann die Geschwindigkeit, mit der der Elektrolyt die Elektrodenoberfl?che erreicht, durch Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit steuern und die Parameter des elektrokatalytischen Reaktionsprozesses bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten messen. Analyse.

Mit zunehmendem Interesse der Menschen an der Entwicklung fortschrittlicher Elektrokatalysatoren für die saubere Energieumwandlung ist neben der Betonung der Verwendung einiger grundlegender Methoden zur Charakterisierung elektrokatalytischer Reaktionen eine weitere Untersuchung der elementaren Schritte jeder Reaktion erforderlich, um die beteiligten Schlüsselkombinationen zu bestimmen Zwischenprodukte, die Oberfl?che der Zwischenprodukte und die Energie jedes elementaren Reaktionsschrittes. Das Studium elektrochemischer Methoden erfordert noch viele Details über die Elektrode-Elektrolyt-Grenzfl?che, die bisher nicht bekannt waren, wie z. in der N?he von L?sungsmitteln, Kationen und Reaktionsgrenzfl?chen. Die atomare Zustandsbeschreibung des Anions auf molekularer Ebene; und die schnelleren und effizienteren Echtzeit-Signalerfassungsmethoden w?hrend des gesamten elektrochemischen Reaktionsprozesses stehen immer noch an der Spitze elektrokatalytischer Reaktionen. Zusammenfassend l?sst sich sagen, dass die eingehende Untersuchung elektrochemischer Charakterisierungsmethoden eine Leitstrategie für die Entwicklung neuer hocheffizienter Katalysatorsysteme darstellt.