Spettrometria di massa elettrochimica differenziale
AN-EC-037
2026-02
it
Integrazione dei potenziostati Metrohm Autolab con gli spettrometri di massa Hiden
La spettrometria di massa elettrochimica differenziale (DEMS) viene utilizzata per monitorare specie gassose e volatili durante le reazioni elettrochimiche in situ.
La spettrometria di massa elettrochimica differenziale (DEMS) è una tecnica analitica avanzata che integra un esperimento elettrochimico con la spettrometria di massa. Questo metodo consente l'analisi in situ e in tempo reale di reagenti, intermedi e prodotti elettrochimici gassosi e volatili. La DEMS è particolarmente utile per studiare i meccanismi e le cinetiche di reazione nelle applicazioni di conversione e accumulo di energia, come celle a combustibile, batterie e processi elettrocatalitici.
Questa nota applicativa evidenzia sia la tecnica DEMS stessa sia la combinazione di uno spettrometro di massa Hiden con un VIONIC utilizzato per rilevare e quantificare la produzione di idrogeno durante un voltammogramma ciclico (CV).
La conversione e l'accumulo di energia sono diventati la principale applicazione dell'elettrochimica. Il suo campo di applicazione è ampio e comprende rami dell'elettrocatalisi, delle celle a combustibile e dell'elettrolisi.
Nell'elettrocatalisi, quando si confrontano nuovi elettrocatalizzatori per la riduzione di CO2 è importante quantificare parametri come il tasso di turnover, ovvero la quantità di materiale prodotta in un dato intervallo di tempo. Esistono molti approcci per determinare il tasso di turnover. La spettrometria di massa elettrochimica differenziale (DEMS) offre un metodo semplice e in situ per farlo. La DEMS può anche essere estesa alla OEMS (spettrometria di massa elettrochimica online).
Una tipica configurazione DEMS include una semicella, una membrana nanoporosa e uno spettrometro di massa a quadrupolo. Nella scienza dei materiali (in particolare negli studi sui catodi), le semicelle elettrochimiche, che utilizzano un singolo elettrodo in una soluzione elettrolitica, sono comuni e convenienti per lo screening rapido di nuovi materiali. Tuttavia, forniscono informazioni limitate sulla reazione in situ. DEMS migliora queste informazioni analizzando l'esperimento della semicella con spettrometria di massa, identificando quantitativamente i prodotti gassosi o volatili, inclusi reagenti e intermedi. Come altre tecniche ibride (ad esempio, la spettroelettrochimica), DEMS correla un secondo segnale (in questo caso le correnti ioniche di massa del flusso elettrolitico) con la corrente faradica dell'elettrodo, offrendo osservazioni affidabili e risolte in massa delle reazioni elettrochimiche.
L'impianto è costituito da una cella DEMS, una pompa peristaltica e un serbatoio elettrolitico. L'elettrolita è 1 mol/L di NaOH. L'elettrodo di riferimento è platino, l'elettrodo di riferimento è oro spruzzato su una membrana in PTFE e l'elettrodo di riferimento è Ag/AgCl. Ulteriori informazioni sulla cella e sull'impianto sono disponibili nel riferimento bibliografico fornito [1]. L'analisi di spettrometria di massa viene condotta con il sistema HPR-40 OEMS per spettrometria di massa online. L'elettrochimica è gestita da VIONIC powered by INTELLO. La procedura utilizzata in INTELLO è mostrata in Figura 1.
I segnali di tensione e corrente misurati da VIONIC vengono inviati al software dello spettrometro di massa utilizzando la funzionalità di monitoraggio I- ed E- di INTELLO (Figura 2). Il segnale di corrente viene inviato al software Hiden collegando l'uscita iout del cavo Hiden alla porta A-OUT1 di VIONIC. Il segnale di potenziale viene fornito al software collegando l'uscita Eout del cavo Hiden alla porta A-OUT2 di VIONIC. Gli ingressi ausiliari del software Hiden devono essere configurati secondo il documento Hiden HA-131-524.
Anche la regolazione automatica della corrente dovrebbe essere disabilitata per garantire che la corrente trasmessa al software Hiden sia corretta. Utilizzando un cavo di trigger, INTELLO è in grado di attivare lo spettrometro di massa per iniziare la scansione. Il software Hiden utilizza un trigger a fronte di discesa. Lo stato iniziale/finale della porta DIO sul potenziostato (Figura 3) prima della misurazione dovrebbe quindi essere impostato su alto (1). Il pin 5 viene utilizzato a questo scopo.
Il cavo su misura utilizzato in questi esperimenti è mostrato in Figura 4. Il lato a 25 pin si collega al sistema HPR-40. Il lato a 15 pin è per il VIONIC e sono presenti due connettori BNC rispettivamente per i segnali I ed E.
All'inizio della procedura, lo stato del pin 5 dovrebbe essere modificato in basso (0). Questo viene fatto con un comando Set DIO (Figura 5).
Tutti i software Hiden sono in grado di accettare i trigger come eventi di automazione Start/Stop (MASsoft) o nella finestra di trigger (QGA 2). Quando viene ricevuto il segnale di trigger, il file di configurazione selezionato verrà avviato automaticamente.
La voltammetria ciclica (Figura 6) è stata condotta nell'intervallo compreso tra -0,5 e -2 V, con una tensione di start/stop di -1 V rispetto all'AgCl. La velocità di scansione era di 50 mV/s. Non si osservano caratteristiche evidenti nella CV fino a circa -1,3 V, dove la produzione di idrogeno viene innescata dalla riduzione dell'elettrolita acquoso.
I segnali sincronizzati di massa, corrente e potenziale in funzione del tempo sono mostrati nella Figura 7. Non si osserva alcuna variazione percettibile nel segnale di massa fino al raggiungimento di -1,3 V. L'aumento del segnale corrisponde (e conferma) alla produzione di idrogeno ai potenziali molto negativi.
Questa Application Note illustra l'integrazione di successo del potenziostato VIONIC di Metrohm Autolab VIONIC on lo spettrometro di massa Hiden HPR-40. Questa configurazione dimostra le potenti capacità della spettrometria di massa elettrochimica differenziale (DEMS) per l'analisi in situ in tempo reale di reazioni elettrochimiche e consente una correlazione precisa tra segnali elettrochimici e dati risolti in massa. Si noti che tutti i potenziostati Autolab sono in grado di integrarsi con i dispositivi Hiden.
Scarica qui i file di esecuzione INTELLO per la spettrometria di massa elettrochimica differenziale
- Clark, E. L.; Bell, A. T. Direct Observation of the Local Reaction Environment during the Electrochemical Reduction of CO2. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 (22), 7012–7020. https://doi.org/10.1021/jacs.8b04058.
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