Elektrokatalyse (OER)

Hintergrund
Mit dem rasanten Anstieg des weltweiten Energiebedarfs hat die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu einer Reihe von Umweltproblemen geführt.Forscherinnen und Forscher im In- und Ausland setzen sich für die Erforschung sauberer Energien und umweltfreundlicher und effizienter Energiespeicher und -umwandlungsgeräte ein..Durch die Vorteile reichlicher Ressourcen, sauberer und effizienter Energie, hoher Energiedichte und Umweltfreundlichkeit ist Wasserstoffenergie eine ideale erneuerbare Energiequelle.Die Beschaffung und Lagerung von Wasserstoff ist einer der wichtigsten Faktoren, die seine Entwicklung einschränken.Die derzeitigen Wasserstoffproduktionsmethoden umfassen die Produktion von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen, die Biomasse als Rohstoff für die Produktion von Wasserstoff und die Spaltung von Wasser.Wasserstoffproduktion durch Wasserspaltung zieht aufgrund der Vorteile des grünen Umweltschutzes zunehmend die Aufmerksamkeit der Bevölkerung auf sichWasserspaltung beinhaltet eine Sauerstoff-Evolution-Reaktion (OER) und eine Wasserstoff-Evolution-Reaktion (HER).vor allem die OER, haben eine langsame kinetische Geschwindigkeit, was zu einem hohen Überpotential und einem geringen Wirkungsgrad führt, was die Entwicklung und praktische Anwendung von Energieumwandlungseinrichtungen stark einschränkt.Der Einsatz eines Elektrokatalysators kann die Energiebarriere der elektrokatalytischen Reaktion wirksam verringern, die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen und das Überpotential verringern, so dass die OER effektiv abgeschlossen werden kann, wodurch die Arbeitseffizienz der Umwandlungseinrichtung verbessert wird.Die Erforschung von OER-Elektrokatalysatoren mit hoher Leistung ist zu einem der wichtigsten Faktoren für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Energieumwandlungseinrichtungen geworden.

Theorie
Die OER ist eine wichtige Halbreaktion von elektrochemischen Energieumwandlungseinrichtungen wie Wasserspaltung und Metallluftbatterien.der OER ist ein Vierelektronenprozess mit einer langsamen kinetischen Geschwindigkeit, was die Leistung elektrochemischer Energieumwandlungseinrichtungen einschränkt.die OER unter sauren und alkalischen Bedingungen beide die Adsorption von OOH* beinhaltetDer Unterschied besteht darin, dass der erste Schritt der OER unter sauren Bedingungen die Dissoziation von Wasser ist und das Endprodukt H⁺und O₂, während der erste Schritt der OER unter alkalischen Bedingungen die Adsorption von OH ist^-, und die Endprodukte sind₂O und O₂, wie in der folgenden Formel gezeigt.
Säure Umgebung:

Gesamtreaktion:2H₂O → 4H⁺+ O₂+ 4e^-
*+ H₂- Ich weiß nicht.^*+ H⁺+ e^-
Oh, das ist...^* O^*+ H⁺+ e^-
O^*+ H₂O OOH^*+ H⁺+ e^-
OOH^*- Ich weiß.^*+ O₂+ H⁺+ e^-
alkalische Umgebung:
Gesamtreaktion:4OH^-→ 2H₂O + O₂+ 4e^-
*+ OH^-- Oh, nein, nein.^*+ e^-
Oh, das ist...^*+ OH^- O^*+ H₂O + e^-
O^*+ OH^-️ OOH^*+ e^-
OOH^*+ OH^-- Ich weiß.^*+ O₂+ H₂O + e^-

Wo * die aktive Stelle auf der Katalysatoroberfläche und OOH*, O* und OH* die Adsorptionszwischenprodukte angeben.
Gemäß dem vierschrittenen elektronischen Reaktionsmechanismus von OER können die wichtigsten Faktoren zur Verbesserung der katalytischen Leistung von OER aus theoretischer Sicht analysiert werden:
(1) Gute Leitfähigkeit: Da es sich bei der OER-Reaktion um eine Vierelektronenübertragungsreaktion handelt, bestimmt die gute Leitfähigkeit die schnelle Elektronenübertragung,die den Fortschritt jeder elementaren Reaktion unterstützt.
(2) Der Katalysator hat eine starke Adsorption von OH^-Je größer die Menge an OH^-Im Falle der Absorption von E-Wärme ist die Absorption der E-Wärme durch die Absorption der E-Wärme zu verringern.
(3) starke Sauerstoffchemische Desorptionsfähigkeit und schwache Sauerstoffphysikalische Adsorptionsfähigkeit.₂Die im katalytischen Prozeß erzeugten Moleküle werden leichter von der aktiven Stelle des Katalysators entsorbt; ist die Sauerstoffphysikalische Adsorptionskapazität schwach, wird die O-₂Moleküle werden mit größerer Wahrscheinlichkeit von der Elektrodenoberfläche ausgeschieden und die OER-Reaktionsgeschwindigkeit kann erhöht werden.Dies hat eine wichtige Leitlinie für die Synthese und Herstellung von OER-Katalysatoren..

Leistungsbewertung des OER-Katalysators
Anfangspotential und Überpotential
Das Anfangspotenzial ist ein wichtiger Indikator für die katalytische Aktivität eines Elektrokatalysators, aber für den OER-Prozess ist das Anfangspotenzial schwer zu beobachten.Viele OER-Elektrokatalysatoren enthalten Übergangsmetallelemente wie FeSie werden während des OER-Prozesses Oxidationsreaktionen durchlaufen und Oxidationsspitzen erzeugen, was eine große Hürde für die Beobachtung des Anfangspotentials darstellt.im OER-Prozess, ist es wissenschaftlicher und zuverlässiger, das entsprechende Überpotential zu beobachten, wenn die Stromdichte 10 10 mA cm beträgt.^-2oder höher.
Das Überpotential wird durch lineare Sweep-Voltometrie (LSV) ermittelt.RHE) bei einer spezifischen Stromdichte (in der Regel 10 mA cm-2) und dem Gleichgewichtspotential der Elektrodenreaktion von 1.23 V, in der Regel in mV. Wie in Abbildung 1 dargestellt, entsprechend der Differenz des Überpotentials des OER-Elektrokatalysators bei einer Stromdichte von 10 mA cm-2,Die Bewertungskriterien für die katalytische Wirkung sind ebenfalls unterschiedlich.Je kleiner das Überpotential ist, desto weniger Energie wird für die Reaktion benötigt und desto besser ist die Katalysatoraktivität.Das Überpotenzial eines OER-Katalysators mit idealer Katalysatik liegt im Allgemeinen zwischen 200~300 mV.

Tafelneigung
Tafel-Grafik ist die Beziehungskurve zwischen Elektrodenpotential und Polarisationsstrom.Es kann die Reaktionskinetik des OER-Prozesses widerspiegeln und die Mechanismusreaktion des OER-Prozesses spekulierenDie Formel ist:
η = a + b·log
Hier stellt η das Überpotential, b die Tafelneigung, j die Stromdichte und a die Konstante dar.Die nach der Gleichung ermittelte Tafel-Neigung kann verwendet werden, um die Kinetik und die Geschwindigkeitsbestimmungsschritte im Reaktionsprozess zu klärenIm Allgemeinen sind die Elektronenübertragungsbarrieren des Katalysators während des Katalysprozesses geringer, je kleiner die Tafelneigung ist, und desto besser ist die Katalysaktivität.

Stabilität
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 performanceFür den OER gibt es viele Faktoren, die die Aktivität des OER-Elektrokatalysators beeinflussen.Viele OER-Elektrokatalysatoren sind unter alkalischen Bedingungen stabilAußerdem hat auch der Kontakt zwischen dem Elektrokatalysator und der Arbeitselektrode einen großen Einfluß auf die Stabilität.Das direkte Wachstum des Katalysators in situ auf der Arbeitselektrode ist stabiler als das des organischen Haftmittels auf der Arbeitselektrode..
Derzeit gibt es zwei elektrochemische Tests, um die Stabilität des Katalysators zu beurteilen.und dann wird die Stabilität des Elektrokatalysators beurteilt, indem man die Veränderung des Potentials im Laufe der Zeit beobachtet.Auch die i-t-Kurve (d. h. potentiostatisch) ist für die Prüfung des Katalysators anwendbar.Wir können die Stabilität des Katalysators bestimmen.Die zweite Methode besteht darin, Tausende oder sogar Zehntausende von zyklischen Voltmetrietests (CV) am Elektrokatalysator in einem bestimmten Potenzialbereich durchzuführen.und die Stabilität des Elektrokatalysators beurteilen, indem die Polarisierungskurven des Elektrokatalysators vor und nach der zyklischen Voltmetrieprüfung verglichen werden.
Zusätzlich zu elektrochemischen Prüfungen ist die Verwendung einiger Phasencharakterisierungstests wie XRD, XPS, SEM, TEM usw. erforderlich.Um die Phasenveränderungen des Elektrokatalysators vor und nach der Katalyse zu vergleichen, kann auch die Stabilität des Elektrokatalysators beurteilt werden..

Experimentelle Einrichtung
Gerät: Korrektestpotentiostat
WE: Glasartige Kohlenstoff-Arbeitselektrode mit gleichmäßig auf der Oberfläche aufgetragenem Katalysator
RE: Ag/AgCl-Referenzelektrode
CE: Graphitstab
Lösung: 0,1 M KOH

Elektrochemische Prüfung
Aktivität des Elektrokatalysators
Technik: Zyklische Voltammetrie (CV)
Potenzialbereich: 0 bis 1 V (gegen Ag/AgCl)
Scannrate: 50 mV s^{- Nein.}
Technik: Lineare Sweep-Volta­metrie (LSV): Potenzialbereich: 0~1V (gegen Ag/AgCl), Scannrate 5 mV s^{- Nein.}

Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wird zur Untersuchung der elektrokatalytischen Sauerstoffentwicklungskinetik des Katalysators eingesetzt.und das Impedanzspektrum wird durch Einrichtung eines gleichwertigen Stromkreises ausgerüstetDer Schaltkreis umfasst Rs (Lösungswiderstand), Rct (Ladungsübertragungswiderstand) und CPE (konstantes Phasenwinkelelement).
Die Prüfbedingungen für die elektrochemische Impedanz (EIS) betragen 0,5 V (gegenüber Ag/AgCl), der Frequenzbereich beträgt 1 Hz ~ 100 kHz und die Störspannung 5 mV.

Stabilität des Elektrokatalysators
Zur Beurteilung der Stabilität des Katalysators werden die Techniken der potentiostatischen, galvanostatischen und zyklischen Voltmetrieprüfungen verwendet.Die galvanostatische Prüfung besteht darin, den entsprechenden Strom unter einer bestimmten Stromdichte (in der Regel 10 mA cm-2) als konstanten Ausgangsstrom zu verwenden., beobachtet die Spannungsänderung während der Prüfzeit (10 h) und bewertet dann die Stabilität.Die potentiostatische Methode besteht darin, das entsprechende Potenzial unter einer bestimmten Stromdichte (in der Regel 10 mA cm-2) als konstante Spannungsausgabe zu verwenden, beobachten die Stromänderung während der Prüfzeit (10 h) und bewerten dann die Stabilität.Ag/AgCl) und der CV wird zyklisch 1000 Mal gescannt.Die Stabilität des Katalysators wird durch den Vergleich von Kurven vor und nach der Stabilitätsprüfung und die Analyse der Veränderungen dargestellt.

Ankündigungen:

1. RE: Die Ag/AgCl-Elektrode sollte im Dunkeln ohne Licht aufbewahrt werden und bitte nicht lange in einer alkalischen Lösung verwendet werden.Eine gesättigte Calomel-Elektrode darf nicht lange in einer alkalischen Lösung verwendet werden.Die Hg/HgO-Elektrode eignet sich für eine alkalische Lösung.

2. CE- bei einem langfristigen CV- und LSV-Test wird sich der Pt-Draht oder die Pt-Platte auf der Oberfläche des Kathodenmaterials absetzen.Sie sollten es besser nicht bei der Prüfung von nicht-Edelmetallmaterialien in monolithischen Elektrolysezellen verwenden..

3. In der Glas-Elektrolytzelle gibt es zwei Probleme: die Korrosion des Glases in der alkalischen Lösung und der Einfluß der Fe-Verunreinigung des Glases auf die OER-Aktivität.Wenn das Experiment nicht besonders genau ist, eine Glas-Elektrolytzelle ist in Ordnung; aber wenn Sie den Einfluß des Fe-Gehalts untersuchen wollen, wird empfohlen, Polytetrafluorethylen zu verwenden.