Ello incluye el uso de un sistema de control de la temperatura.

Fondo
Con el rápido aumento de la demanda mundial de energía, la quema de combustibles fósiles ha causado una serie de problemas ambientales. Los investigadores nacionales y extranjeros están comprometidos a explorar energías limpias y dispositivos de conversión y almacenamiento de energía eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Con las ventajas de recursos abundantes, limpios y eficientes, alta densidad energética y respeto al medio ambiente, la energía del hidrógeno es una fuente de energía renovable ideal. Sin embargo, el abastecimiento y almacenamiento de hidrógeno es uno de los factores clave que restringen su desarrollo. Los métodos actuales de producción de hidrógeno incluyen la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles, la producción de hidrógeno a partir de biomasa como materia prima y la división del agua. Entre ellos, la producción de hidrógeno mediante la división del agua está atrayendo cada vez más la atención de la gente debido a las ventajas de la protección ambiental ecológica, la sostenibilidad y la facilidad de industrialización, etc. La división del agua implica una reacción de evolución de oxígeno (OER) y una reacción de evolución de hidrógeno (HER). Estas reacciones electrocatalíticas, especialmente las REA, tienen una velocidad cinética lenta, lo que conduce a un alto sobrepotencial y una baja eficiencia, lo que restringe gravemente el desarrollo y la aplicación práctica de dispositivos de conversión de energía. El uso de electrocatalizador puede reducir eficazmente la barrera energética de la reacción electrocatalítica, acelerar la velocidad de reacción y reducir el sobrepotencial para que el REA pueda completarse de manera efectiva, mejorando así la eficiencia de trabajo del dispositivo de conversión. Por tanto, la exploración de electrocatalizadores REA de alto rendimiento se ha convertido en uno de los factores clave para mejorar el rendimiento de los dispositivos de conversión de energía.

Teoría
El REA es una media reacción importante de los dispositivos de conversión de energía electroquímica, como la división de agua y las baterías de metal-aire. En condiciones ácidas y alcalinas, el REA es un proceso de cuatro electrones con una velocidad cinética lenta, lo que restringe el rendimiento de los dispositivos de conversión de energía electroquímica. Rendimiento general. Según el cálculo de la teoría funcional de la densidad, el REA en condiciones ácidas y alcalinas implica la adsorción de intermedios OOH*, O* y OH*. La diferencia es que el primer paso de los REA en condiciones ácidas es la disociación del agua y el producto final son H.⁺y O₂, mientras que el primer paso de los REA en condiciones alcalinas es la adsorción de OH^-, y los productos finales son H₂O y O₂, como se muestra en la siguiente fórmula.
Ambiente ácido:

Reacción general:2H₂O → 4H⁺+O₂+ 4e^-
*+H₂O ⇌ OH^*+H⁺+ mi^-
OH^*⇌O^*+H⁺+ mi^-
oh^*+H₂O ⇌ OH^*+H⁺+ mi^-
OH^*⇌^*+O₂+H⁺+ mi^-
Ambiente alcalino:
Reacción general:4OH^-→ 2H₂O+O₂+ 4e^-
*+ OH^-⇌ OH^*+ mi^-
OH^*+ OH^-⇌O^*+H₂O + mi^-
oh^*+ OH^-⇌ OH^*+ mi^-
OH^*+ OH^-⇌^*+O₂+H₂O + mi^-

Donde, * significa el sitio activo en la superficie del catalizador, y OOH*, O* y OH* indican intermediarios de adsorción.
Según el mecanismo de reacción electrónica de cuatro pasos de los REA, los factores importantes para mejorar el rendimiento catalítico de los REA se pueden analizar desde una perspectiva teórica:
(1) Buena conductividad. Dado que el proceso de reacción REA es una reacción de transferencia de cuatro electrones, una buena conductividad determina la rápida transferencia de electrones, lo que ayuda al progreso de cada reacción elemental.
(2) El catalizador tiene una fuerte adsorción de OH.^-. Cuanto mayor sea la cantidad de OH^-cuanto más adsorbido sea, más fácil será que se desarrollen las siguientes reacciones electrónicas de tres pasos.
(3) Fuerte capacidad de desorción química de oxígeno y débil capacidad de adsorción física de oxígeno. Si la capacidad de desorción química del oxígeno es fuerte, el O₂las moléculas producidas durante el proceso catalítico se desorben más fácilmente del sitio activo del catalizador; si la capacidad física de adsorción de oxígeno es débil, el O₂Es más probable que las moléculas precipiten de la superficie del electrodo y se puede promover la velocidad de reacción REA. Esto tiene un importante significado rector para la síntesis y preparación de catalizadores REA.

Evaluación del rendimiento del catalizador REA.
Potencial inicial y sobrepotencial
El potencial inicial es un indicador importante de la actividad catalítica de un electrocatalizador. Pero en el caso del proceso de REA, el potencial inicial es difícil de observar. Muchos electrocatalizadores REA contienen elementos de metales de transición como Fe, Co, Ni, etc. Sufrirán reacciones de oxidación durante el proceso REA y generarán picos de oxidación, lo que es un gran obstáculo para la observación del potencial inicial. Por lo tanto, en el proceso REA, es más científico y confiable observar el sobrepotencial correspondiente cuando la densidad de corriente es 10 · 10 mA cm^-2o superior.
El sobrepotencial se obtiene mediante voltamperometría de barrido lineal (LSV). El sobrepotencial se refiere a la diferencia entre el potencial del electrodo (frente a RHE) a una densidad de corriente específica (generalmente 10 mA cm-2) y el potencial de equilibrio de la reacción del electrodo de 1,23 V, generalmente en mV. Como se muestra en la Figura 1, de acuerdo con la diferencia en el sobrepotencial del electrocatalizador REA a una densidad de corriente de 10 mA cm-2, los criterios de evaluación de su efecto catalítico también son diferentes. Cuanto menor es el sobrepotencial, menos energía se requiere para la reacción y mejor es la actividad del catalizador. El sobrepotencial de un catalizador REA con actividad catalítica ideal generalmente está entre 200 y 300 mV.

pendiente de tafel
El gráfico de Tafel es la curva de relación entre el potencial del electrodo y la corriente de polarización. Puede reflejar la cinética de reacción del proceso REA y especular el mecanismo de reacción del proceso REA. La fórmula de la ecuación es:
η = a + b·log|j|
Donde η representa el sobrepotencial, b representa la pendiente de Tafel, j es la densidad de corriente y a es la constante. La pendiente de Tafel obtenida según la ecuación se puede utilizar para aclarar la cinética y los pasos que determinan la velocidad en el proceso de reacción. Generalmente, cuanto menor sea la pendiente de Tafel, menores serán las barreras de transferencia de electrones del catalizador durante el proceso de catálisis y mejor será la actividad catalítica.

Estabilidad
La estabilidad del catalizador en el proceso de catálisis determina directamente si se puede aplicar a gran escala en la producción real y es uno de los indicadores importantes del rendimiento del catalizador. Para los REA, existen muchos factores que afectan la actividad del electrocatalizador REA. Por ejemplo, la acidez y basicidad de la solución afectarán la estabilidad del catalizador. Muchos electrocatalizadores REA son estables en condiciones alcalinas, pero no buenos en condiciones ácidas. Además, la forma de contacto del electrocatalizador y el electrodo de trabajo también tiene una gran influencia en la estabilidad. En general, el crecimiento directo del catalizador in situ sobre el electrodo de trabajo será más estable que el agente de adhesión orgánico sobre el electrodo de trabajo.
Actualmente, existen dos pruebas electroquímicas para juzgar la estabilidad del catalizador. Uno es la cronopotenciometría (es decir, galvanostática). Se aplica una corriente constante al electrodo y luego se juzga la estabilidad del electrocatalizador observando el cambio del potencial a lo largo del tiempo. De manera similar, la curva it (es decir, potenciostática) también es aplicable para probar el catalizador. Aplicando un potencial constante sobre el electrodo, observando el cambio de la corriente con el tiempo, podemos determinar la estabilidad del catalizador. La otra es realizar miles o incluso decenas de miles de pruebas de voltametría cíclica (CV) en el electrocatalizador en un cierto rango de barrido de potencial, y juzgar la estabilidad del electrocatalizador comparando las curvas de polarización del electrocatalizador antes y después de la prueba de voltametría cíclica. .
Además de las pruebas electroquímicas, el uso de algunas pruebas de caracterización de fases como XRD, XPS, SEM, TEM, etc. para comparar los cambios de fase del electrocatalizador antes y después de la catálisis también se puede utilizar para juzgar la estabilidad del electrocatalizador.

Configuración del experimento
Instrumento: potenciostato correcto
WE: Electrodo de trabajo de carbón vítreo con catalizador aplicado uniformemente en la superficie
RE: Electrodo de referencia Ag/AgCl
CE: varilla de grafito
Solución: KOH 0,1 M

prueba electroquímica
Actividad del electrocatalizador
Técnica: Voltametría Cíclica (CV)
Rango de potencial: 0~1 V (frente a Ag/AgCl)
Velocidad de escaneo: 50 mV s^-1
Técnica: voltamperometría de barrido lineal (LSV): rango de potencial: 0 ~ 1 V (frente a Ag/AgCl), velocidad de escaneo 5 mV s^-1

La espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) se utiliza para estudiar la cinética de evolución de oxígeno electrocatalítica del catalizador, y el espectro de impedancia se ajusta estableciendo un circuito equivalente. El circuito incluye Rs (resistencia de solución), Rct (resistencia de transferencia de carga) y CPE (elemento de ángulo de fase constante).
Las condiciones de prueba de impedancia electroquímica (EIS) son 0,5 V (frente a Ag/AgCl), el rango de prueba de frecuencia es de 1 Hz a 100 kHz y el voltaje de perturbación es de 5 mV.

Estabilidad del electrocatalizador
Para evaluar la estabilidad del catalizador se utilizan las técnicas de ensayos potenciostáticos, galvanostáticos y voltamperometría cíclica. La prueba galvanostática consiste en utilizar la corriente correspondiente bajo una cierta densidad de corriente (generalmente 10 mA cm-2) como salida de corriente constante, observar el cambio de voltaje durante el tiempo de prueba (10 h) y luego evaluar la estabilidad. El método potenciostático consiste en utilizar el potencial correspondiente bajo una determinada densidad de corriente (generalmente 10 mA cm-2) como salida de voltaje constante, observar el cambio de corriente durante el tiempo de prueba (10 h) y luego evaluar la estabilidad. En la prueba de voltametría cíclica, el rango de voltaje es de 0~1 V (frente a Ag/AgCl) y el CV se escanea cíclicamente 1000 ciclos. La estabilidad del catalizador se ilustra comparando las curvas antes y después de la prueba de estabilidad y analizando los cambios.

Avisos:

1. RE: El electrodo Ag/AgCl debe reservarse en la oscuridad sin luz y no utilizarlo en una solución alcalina durante mucho tiempo. El electrodo de calomelanos saturado no debe usarse en solución alcalina durante mucho tiempo. El electrodo Hg/HgO es adecuado para soluciones alcalinas.

2. CE: en pruebas CV y ​​LSV de larga duración, el alambre de Pt o la placa de Pt se depositarán en la superficie del material del cátodo. Será mejor que no lo utilices en la prueba de materiales metálicos no preciosos en una celda de electrólisis monolítica.

3. Hay dos problemas en la celda electrolítica de vidrio: la corrosión del vidrio en la solución alcalina y la influencia de la impureza de Fe del vidrio sobre la actividad REA. Si el experimento no es particularmente preciso, una celda electrolítica de vidrio está bien; pero si se quiere estudiar la influencia del contenido de Fe, se recomienda utilizar politetrafluoroetileno.