Électrocatalyse (OER)

Résumé
Avec l'augmentation rapide de la demande mondiale d'énergie, la combustion de combustibles fossiles a causé une série de problèmes environnementaux.Les chercheurs nationaux et étrangers s'engagent à explorer l'énergie propre et les dispositifs de stockage et de conversion d'énergie écologiques et efficacesL'hydrogène est une source d'énergie renouvelable idéale, car il présente les avantages d'une abondance de ressources, d'un rendement propre et efficace, d'une forte densité énergétique et d'une protection écologique.L'approvisionnement et le stockage de l'hydrogène sont l'un des facteurs clés limitant son développement.Les méthodes actuelles de production d'hydrogène comprennent la production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles, la production d'hydrogène à partir de la biomasse comme matière première et la scission de l'eau.La production d'hydrogène par scission de l'eau attire de plus en plus l'attention des gens en raison des avantages de la protection écologique de l'environnementLa séparation de l'eau implique une réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et une réaction d'évolution de l'hydrogène (HER).en particulier le RSE, ont une vitesse cinétique lente, ce qui conduit à un surpotentiel élevé et à un faible rendement, ce qui limite fortement le développement et l'application pratique des dispositifs de conversion d'énergie.L'utilisation d'un électrocatalyseur peut réduire efficacement la barrière énergétique de la réaction électrocatalytique, accélérer la vitesse de réaction et réduire le surpotentiel afin que l'OER puisse être effectué efficacement, améliorant ainsi l'efficacité de fonctionnement du dispositif de conversion.L'exploration d'électrocatalyseurs OER à haute performance est devenue l'un des facteurs clés pour améliorer les performances des dispositifs de conversion d'énergie.

Théorie
L'OER est une demi-réaction importante des dispositifs de conversion d'énergie électrochimique tels que les batteries de séparation d'eau et de métal-air.l'OER est un procédé à quatre électrons à vitesse cinétique lente, ce qui limite les performances des appareils de conversion d'énergie électrochimique.l'OER dans des conditions acides et alcalines implique l'adsorption de l'OOH*La différence réside dans le fait que la première étape de l'OER dans des conditions acides est la dissociation de l'eau et que le produit final est H⁺et O₂, tandis que la première étape de l'OER dans des conditions alcalines est l'adsorption de l'OH^-, et les produits finaux sont H₂O et O₂, comme le montre la formule suivante.
Environnement acide:

Réaction globale:2 heures₂O → 4H⁺+ O₂+ 4e^-
*+ H₂Je ne sais pas.^*+ H⁺+ e^-
Je suis désolé.^*- Je ne sais pas.^*+ H⁺+ e^-
Je vous en prie.^*+ H₂O OOH^*+ H⁺+ e^-
OOH^*Je ne sais pas.^*+ O₂+ H⁺+ e^-
Environnement alcalin:
Réaction globale:4OH^-→ 2H₂O + O₂+ 4e^-
*+ OH^-Je ne sais pas.^*+ e^-
Je suis désolé.^*+ OH^-- Je ne sais pas.^*+ H₂O + e^-
Je vous en prie.^*+ OH^-¢ OOH^*+ e^-
OOH^*+ OH^-Je ne sais pas.^*+ O₂+ H₂O + e^-

où, * désigne le site actif sur la surface du catalyseur, et OOH*, O* et OH* indiquent les intermédiaires d'adsorption.
Selon le mécanisme de réaction électronique en quatre étapes des REA, les facteurs importants pour améliorer les performances catalytiques des REA peuvent être analysés d'un point de vue théorique:
(1) Bonne conductivité. Puisque le processus de réaction OER est une réaction de transfert de quatre électrons, une bonne conductivité détermine le transfert d'électrons rapide,qui aide à la progression de chaque réaction élémentaire.
(2) Le catalyseur a une forte adsorption de l'OH^-Plus la quantité d'OH est élevée^-Les réactions électroniques en trois étapes suivantes sont plus faciles à effectuer.
(3) Une forte capacité de désorption chimique de l'oxygène et une faible capacité d'adsorption physique de l'oxygène.₂Les molécules produites au cours du processus catalytique sont plus facilement désorbitées du site actif du catalyseur; si la capacité d'adsorption physique de l'oxygène est faible, le₂Les molécules sont plus susceptibles d'être précipitées de la surface de l'électrode, et le taux de réaction OER peut être promu.Ceci a une importance directe importante pour la synthèse et la préparation de catalyseurs OER.

Évaluation des performances du catalyseur REA
Potentiel initial et surpotentiel
Le potentiel initial est un indicateur important de l'activité catalytique d'un électrocatalyseur.Beaucoup d'électrocatalyseurs OER contiennent des éléments métalliques de transition tels que FeIls subissent des réactions d'oxydation au cours du processus OER et génèrent des pics d'oxydation, ce qui est un grand obstacle à l'observation du potentiel initial.dans le processus de RSE, il est plus scientifique et plus fiable d'observer le surpotentiel correspondant lorsque la densité du courant est de 10 10 mA cm^{- Deux.}ou plus.
Le surpotentiel est obtenu par voltammétrie de balayage linéaire (LSV).RHE) à une densité de courant spécifique (généralement 10 mA cm-2) et le potentiel d'équilibre de la réaction de l'électrode de 1.23 V, généralement en mV. Comme indiqué à la figure 1, selon la différence de surpotentiel de l'électrocatalyseur OER à une densité de courant de 10 mA cm-2,les critères d'évaluation de son effet catalytique sont également différentsPlus le surpotentiel est petit, moins d'énergie est requise pour la réaction et meilleure est l'activité du catalyseur.Le surpotentiel d'un catalyseur OER à activité catalytique idéale est généralement compris entre 200 et 300 mV.

Pente de la table
Le graphique de Tafel est la courbe de relation entre le potentiel de l'électrode et le courant de polarisation.Il peut refléter la cinétique de réaction du processus OER et spéculer sur le mécanisme de réaction du processus OERLa formule de l'équation est:
η = a + b·log pour les autres
où η représente le surpotentiel, b la pente de Tafel, j la densité de courant et a la constante.La pente de Tafel obtenue selon l'équation peut être utilisée pour clarifier la cinétique et les étapes déterminant la vitesse dans le processus de réactionGénéralement, plus la pente de Tafel est petite, moins les barrières de transfert d'électrons du catalyseur pendant le processus de catalyse sont importantes et meilleure est l'activité catalytique.

Stabilité
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 performancePour l'OER, il existe de nombreux facteurs qui affectent l'activité de l'électrocatalyseur OER. Par exemple, l'acidité et la basicité de la solution affecteront la stabilité du catalyseur.Beaucoup d'électrocatalyseurs OER sont stables dans des conditions alcalinesEn outre, la voie de contact de l'électrocatalyseur et de l'électrode de travail a également une grande influence sur la stabilité.la croissance directe du catalyseur in situ sur l'électrode de travail sera plus stable que celle de l'agent d'adhérence organique sur l'électrode de travail.
Actuellement, il existe deux tests électrochimiques pour juger de la stabilité du catalyseur.et puis la stabilité de l'électrocatalyseur est jugée en observant le changement du potentiel au fil du tempsDe même, la courbe i-t (c'est-à-dire potentiostatique) est également applicable pour tester le catalyseur.Nous pouvons déterminer la stabilité du catalyseurL'autre consiste à effectuer des milliers voire des dizaines de milliers de tests de voltamétrie cyclique (CV) sur l'électrocatalyseur dans une certaine plage de balayage potentiel.et de juger de la stabilité de l'électrocatalyseur en comparant les courbes de polarisation de l'électrocatalyseur avant et après l'essai de voltamétrie cyclique.
En plus des essais électrochimiques, l'utilisation de certains essais de caractérisation de phase tels que XRD, XPS, SEM, TEM, etc.pour comparer les changements de phase de l'électrocatalyseur avant et après la catalyse peut également être utilisé pour juger de la stabilité de l'électrocatalyseur.

Mise en place de l'expérience
Instrument: potentiostat de test correct
WE: électrode de travail en carbone vitreux avec catalyseur appliqué uniformément sur la surface
RE: électrode de référence Ag/AgCl
CE: Bande de graphite
Solution: 0,1 M KOH

Essai électrochimique
Activité de l'électrocatalyseur
Technique: Voltamétrie cyclique (CV)
Plage de potentiel: 0 à 1 V (par rapport à Ag/AgCl)
Taux de numérisation: 50 mV s^{- Je vous en prie.}
Técnique de voltamétrie de balayage linéaire (LSV): plage de potentiel: 0 à 1 V (contre Ag/AgCl), débit de balayage 5 mV s^{- Je vous en prie.}

La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) est utilisée pour étudier la cinétique de l'évolution de l'oxygène électrocatalytique du catalyseur,et le spectre d'impédance est monté en établissant un circuit équivalentLe circuit comprend Rs (résistance à la solution), Rct (résistance au transfert de charge) et CPE (élément d'angle de phase constant).
Les conditions d'essai d'impédance électrochimique (EIS) sont de 0,5 V (contre Ag/AgCl), la plage de fréquence d'essai est de 1 Hz ~ 100 kHz et la tension de perturbation est de 5 mV.

Stabilité du catalyseur électrique
Les techniques d'essais de voltamétrie potentiostatique, galvanostatique et cyclique sont utilisées pour évaluer la stabilité du catalyseur.L'essai galvanostatique consiste à utiliser le courant correspondant sous une certaine densité de courant (généralement 10 mA cm-2) comme courant de sortie constant., observer la variation de tension pendant la période d'essai (10 h), puis évaluer la stabilité.La méthode potentiostatique consiste à utiliser le potentiel correspondant sous une certaine densité de courant (généralement 10 mA cm-2) comme sortie de tension constante, observez le changement de courant pendant le temps d'essai (10 h), puis évaluez la stabilité.Ag/AgCl) et le CV est scanné cycliquement 1000 cyclesLa stabilité du catalyseur est illustrée par la comparaison des courbes avant et après l'essai de stabilité et l'analyse des changements.

Communiqués:

1. RE: L'électrode Ag/AgCl doit être conservée dans l'obscurité sans lumière et ne doit pas être utilisée pendant longtemps dans une solution alcaline.L'électrode de calomel saturée ne doit pas être utilisée dans une solution alcaline pendant une longue période.L'électrode Hg/HgO convient à la solution alcaline.

2. CE- dans les essais CV et LSV à long terme, le fil Pt ou la plaque Pt se déposera sur la surface du matériau cathodique.Vous feriez mieux de ne pas l'utiliser dans le test de matériaux non-métalliques précieux dans une cellule d'électrolyse monolithique..

3. Il y a deux problèmes dans la cellule électrolytique en verre: la corrosion du verre dans la solution alcaline et l'influence de l'impureté Fe du verre sur l'activité du REO.Si l'expérience n'est pas particulièrement précise, une cellule électrolytique en verre convient; mais si vous voulez étudier l'influence de la teneur en Fe, il est recommandé d'utiliser du polytétrafluoroéthylène.