A tecnologia de rea??o eletrocatalítica é um dos métodos principais para conduzir essas vias de convers?o de energia e purifica??o ambiental.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento da sociedade e o progresso da humanidade, problemas energéticos e ambientais cada vez mais sérios se tornaram um problema mundial que precisa ser resolvido com urgência. As pessoas est?o comprometidas com o uso eficaz de novas fontes de energia e métodos de purifica??o a longo prazo do meio ambiente. Os atuais métodos de pesquisa eficazes para promover a convers?o de energia e a purifica??o ambiental envolvem muitas dire??es, como desenvolvimento de células de combustível, produ??o de hidrogênio, recursos de CO2, convers?o catalítica organica de gases de escape. Os métodos de teste eletroquímico como um guia teórico fornecem um meio racional de interpreta??o para o desenvolvimento do desempenho do eletrocatalisador. Este artigo resume os métodos de teste eletroquímicos comumente usados em várias rea??es eletroquímicas.

Figura 1 Processo eletrocatalítico de convers?o de energia sustentável

A voltametria cíclica (CV) é o método de pesquisa mais comumente usado para avaliar sistemas eletroquímicos desconhecidos. é obtido principalmente controlando o potencial do eletrodo em diferentes taxas e digitalizando uma ou mais vezes com uma forma de onda triangular ao longo do tempo. Curva de potencial de corrente (IE). Diferentes rea??es de redu??o e oxida??o podem ocorrer alternadamente nos eletrodos em diferentes faixas de potencial. A reversibilidade da rea??o do eletrodo pode ser julgada de acordo com a forma da curva; os picos de adsor??o e dessor??o dos reagentes podem ser usados para avaliar o eletrocatalisador de acordo com a faixa de potencial específica. A área cataliticamente ativa também pode ser usada para obter informa??es úteis sobre rea??es complexas de eletrodos.

Figura 1.1 Curva de resposta potencial atual de varredura

Como mostrado na Fig. 1.1, o potencial da primeira metade é varrido em dire??o ao cátodo e a substancia eletroativa é reduzida no eletrodo para gerar uma onda de redu??o. Quando o potencial da segunda metade é digitalizado em dire??o ao anodo, o produto de redu??o é novamente oxidado no eletrodo para gerar uma onda de oxida??o. Dois parametros úteis da curva de voltametria cíclica iE s?o a raz?o de corrente de pico ipa / ipc e a diferen?a de potencial de pico Epa-Epc. Para a onda Nernst do produto estável, a taxa de corrente de pico ipa / ipc = 1, independente da velocidade de varredura, coeficiente de difus?o e potencial de comuta??o. Quando a varredura de cátodo é parada, a corrente é degradada para 0 e, em seguida, reversa. A curva iE obtida é exatamente igual à curva do cátodo, mas é desenhada na dire??o oposta da coordenada I e da coordenada E. A raz?o ipa / ipc desvia de 1, indicando que o processo do eletrodo n?o é um processo de rea??o totalmente reversível que envolve cinética homogênea ou outras complica??es. A altura do pico de rea??o e a área do pico podem ser usadas para estimar parametros do sistema, como a concentra??o de espécies eletroativas ou a constante de velocidade da rea??o homogênea acoplada. No entanto, a curva CV n?o é um método quantitativo ideal, e seu uso poderoso está mais em sua capacidade qualitativa de julgamento semi-quantitativo.

A voltametria de pulso é um método de medi??o eletroquímico baseado no comportamento dos eletrodos polarográficos. é usado para estudar o processo redox em vários meios, a adsor??o de materiais de superfície em materiais catalisadores e o mecanismo de transferência de elétrons na superfície de eletrodos quimicamente modificados. A detec??o é especialmente eficaz. A voltametria de pulso inclui voltametria de passo, voltametria de pulso convencional, voltametria de pulso diferencial e voltametria de onda quadrada, dependendo da maneira como a voltagem é varrida. Entre eles, a voltametria de passo é semelhante ao método de varredura potencial, e a resposta da maioria dos sistemas ao passo de volt-ampère de resolu??o mais alta (ΔE <5 mV) é muito semelhante aos resultados do experimento de varredura linear da mesma velocidade de varredura.

A espectroscopia de impedancia eletroquímica é aplicar um sinal elétrico perturbado ao sistema eletroquímico. Ao contrário do método de varredura linear, o sistema eletroquímico está longe do estado de equilíbrio e, em seguida, a resposta do sistema é observada, e as propriedades eletroquímicas do sistema s?o analisadas pelo sinal elétrico de resposta. A espectroscopia de impedancia eletroquímica é frequentemente usada para analisar, avaliar a rea??o ORR em células a combustível PEM, caracterizar a perda de difus?o na superfície do material catalisador, estimar a resistência ?hmica e as características da impedancia de transferência de carga e capacitancia de dupla camada para avaliar e otimizar o conjunto de eletrodo de membrana.

O espectro de impedancia é geralmente desenhado na forma de um diagrama de Bode e um diagrama de Nyquist. No diagrama de Bode, a magnitude e a fase da impedancia s?o plotadas em fun??o da frequência; no diagrama de Nyquist, a parte imaginária da impedancia é plotada em cada ponto de frequência em rela??o à parte real. O arco de alta frequência reflete a combina??o da capacitancia de camada dupla da camada de catalisador, a impedancia efetiva de transferência de carga e a resistência ?hmica, que reflete a impedancia produzida pela transferência de massa. Para um determinado sistema, as duas regi?es às vezes n?o s?o bem definidas.

Figura 3.1 Espectro de impedancia do sistema eletroquímico

A Figura 3.1 mostra as características extremas do controle cinético e controle de transferência de massa. No entanto, para qualquer sistema, as duas regi?es provavelmente n?o est?o bem definidas. O fator determinante é a rela??o entre a resistência de transferência de carga e a impedancia de transmiss?o. Se o sistema químico for lento em cinética, mostrará um Rct grande, que parece ter uma regi?o de frequência muito limitada. Quando o sistema é dinamico, a transferência de material sempre desempenha um papel de lideran?a e as áreas semicirculares s?o difíceis de definir.

O método de cronoamperometria é um método de controle transitório que pode ser usado para avaliar a adsor??o e difus?o da superfície do catalisador. A curva de cronoamperometria é obtida aplicando uma etapa potencial ao sistema eletroquímico para medir a altera??o do sinal de resposta atual ao longo do tempo. Quando um passo em potencial é dado, a forma de onda básica é mostrada na Figura 4.1 (a), e a superfície do eletrodo sólido é analisada com um material eletroativo. Após a aplica??o do passo em potencial, as espécies eletroativas próximas à superfície do eletrodo s?o primeiro reduzidas a um radical anion estável, que requer uma grande corrente, pois o processo ocorre imediatamente no instante do passo. A corrente que flui posteriormente é usada para manter as condi??es sob as quais o material ativo da superfície do eletrodo é completamente reduzido. A redu??o inicial causa um gradiente de concentra??o (ou seja, concentra??o) entre a superfície do eletrodo e a solu??o a granel, e o material ativo come?a a se difundir continuamente em dire??o à superfície e difundir no eletrodo. O material ativo na superfície é completamente reduzido imediatamente. O fluxo de difus?o, ou seja, a corrente, é proporcional ao gradiente de concentra??o da superfície do eletrodo. No entanto, note-se que, à medida que a rea??o prossegue, o material ativo na solu??o a granel difunde-se continuamente em dire??o à superfície do eletrodo, fazendo com que a regi?o do gradiente de concentra??o se estenda gradualmente em dire??o à solu??o a granel e o gradiente de concentra??o da superfície do eletrodo sólido gradualmente fica menor (esgotado) e a corrente muda gradualmente. pequeno. A distribui??o da concentra??o e a corrente versus o tempo s?o mostradas na Figura 4.1 (b) e na Figura 4.1 (c).

Figura 4.1 (a) Forma de onda experimental de etapa, reagente O n?o reage no potencial E1, é reduzida em E2 na velocidade limite de difus?o; (b) distribui??o da concentra??o em momentos diferentes; (c) curva corrente versus tempo

A tecnologia de eletrodo de disco rotativo (RDE) é muito útil no estudo da rea??o homogênea acoplada da superfície do catalisador, de modo que a rea??o eletroquímica na superfície do catalisador é realizada sob uma condi??o de estado relativamente estável. O RDE pode controlar substancias com difus?o mais lenta, como o gás que se difunde facilmente na solu??o, reduzindo a influência da camada de difus?o na distribui??o de densidade atual. Assim, é obtida uma densidade de corrente estável, que está em um estado estacionário aproximado, o que é benéfico para o processo de análise eletroquímica; O RDE pode controlar a velocidade na qual o eletrólito atinge a superfície do eletrodo, ajustando a velocidade de rota??o e medir os parametros do processo de rea??o eletrocatalítica em diferentes velocidades de rota??o. análise.

à medida que os seres humanos se tornam mais interessados no desenvolvimento de eletrocatalisadores avan?ados para convers?o de energia limpa, além de enfatizar o uso de alguns métodos básicos para a caracteriza??o de rea??es eletrocatalíticas, é necessário um exame mais aprofundado das etapas elementares de cada rea??o para determinar os envolvidos. intermediários, a superfície do intermediário e a energia de cada etapa da rea??o elementar. O estudo de métodos eletroquímicos ainda exige muitos detalhes sobre a interface eletrodo-eletrólito que n?o s?o conhecidos até o momento, como as barreiras cinéticas e de rea??o envolvidas nas principais etapas elementares da transferência de próton / elétron; perto de solventes, cátions e interfaces de rea??o. A descri??o at?mica do estado de nível molecular do anion; e os métodos de aquisi??o de sinal em tempo real mais rápidos e eficientes em todo o processo de rea??o eletroquímica ainda est?o na vanguarda das rea??es eletrocatalíticas. Em resumo, o estudo aprofundado dos métodos de caracteriza??o eletroquímica fornece uma estratégia orientadora para o desenvolvimento de novos sistemas catalisadores de alta eficiência.