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A voltametria cíclica (CV) é a espinha dorsal da maioria das pesquisas eletroquímicas e é uma técnica eletroquímica essencial que permite aos pesquisadores explorar candidatos a catalisadores em maior profundidade. Quando acoplado à modelagem, um protocolo sistemático focado em objetivos fornecerá uma gama de dados que informará o usuário sobre técnicas mais novas e configurações complexas. Esta abordagem disciplinada economizará tempo a longo prazo e é especialmente útil para aqueles que podem ter acesso limitado à instrumentação eletroquímica em um laboratório movimentado.
Este artigo fornece uma visão geral dos possíveis objetivos de pesquisa ao usar o CV, juntamente com exemplos relevantes da literatura científica com a abordagem em ação.
A eletrocatálise (ECAT) é definida como a catálise de uma reação de eletrodo. O efeito eletrocatalítico leva a um aumento da constante de taxa padrão da reação do eletrodo - resultando em uma densidade de corrente mais alta ou a uma diminuição no sobrepotencial quando outras etapas limitantes de taxa estão envolvidas. O estudo de um processo eletrocatalítico requer a caracterização do mecanismo e da cinética da reação do eletrodo. Os métodos de convecção forçada podem oferecer a vantagem de reduzir as contribuições do transporte de massa e fornecer acesso direto à informação cinética e mecanística.
Na última década, foi estabelecida uma maior compreensão das transformações eletroquímicas críticas, particularmente aquelas que envolvem água, hidrogênio e oxigênio.1]. A expansão da nossa compreensão neste domínio só foi possível devido ao uso de técnicas eletroquímicas críticas. Isso permitiu aos pesquisadores não apenas explorar um maior variedade de catalisadores, mas explore-os em maior detalhe.
Para responder ao volume potencial de exploração que pode descobrir materiais mais rentáveis e renováveis que não se encontram na fase de esgotamento crítico, é necessária uma abordagem sistemática à investigação analítica.
Como sempre, novas técnicas estão sendo constantemente desenvolvidas, mas o técnica padrão ouro A exploração de catalisadores com voltametria cíclica (CV) ainda é recomendada como ponto de partida para pesquisadores.
Metas Experimentais e Seleção de Procedimentos
Para explorar efetivamente um candidato a catalisador, é importante considerar qual é o objetivo experimental e então escolher o procedimento de acordo. Exemplos de objetivos possíveis estão listados nas seções a seguir junto com procedimentos e/ou técnicas sugeridas.
Explorando um novo sistema
Determine a janela de estabilidade (E) do eletrólito [2] Método: Realize a medição CV na janela de ampla tensão (E), usando um eletrodo inerte (por exemplo, carbono vítreo) e investigue o comportamento redox geral do material eletrocatalisador. |
Determine a área de superfície do eletrodo para comparações quantitativas [3–5] Método: Vários métodos que dependem do material: usando uma reação de superfície bem definida (por exemplo, remoção ou formação de óxido) ou análise de capacitância eletroquímica de dupla camada (Cdl). |
Investigue o comportamento redox geral do material eletrocatalisador [2] Método: Realize a medição CV em uma ampla janela de tensão (E), usando um eletrólito bem compreendido e um novo eletrocatalisador. |
Investigue a estabilidade do eletrocatalisador [6, 7] Método: Realize medições repetitivas de CV ao longo de várias centenas de ciclos ou durante vários dias. |
Sondando uma reação eletroquímica específica
Determine se uma reação é reversível (cinética rápida de transferência de elétrons), quase reversível (cinética lenta) ou irreversível (governada por outros fatores) [8, 9] Método: Realize medições de CV em vários valores de taxa de varredura e, em seguida, examine as dependências da posição de pico (Epico) e altura do pico (Ipico) na taxa de varredura. |
Determine a energia de ativação aparente da reação [10] Método: Realize medições de CV em várias temperaturas e, em seguida, analise gráficos eletroquímicos de Arrhenius de log j vs. 1/T. |
Combinando CV com técnicas adicionais para confirmar resultados e aprofundar a compreensão
Determine a estrutura molecular de produtos ou intermediários em uma instância específica da reação [9–12] Método: Realize medição de CV com determinação espectroscópica in-situ (espectroeletroquímica via espectroscopia UV/Vis/NIR ou Raman). |
Investigue o material depositado ou removido da superfície do eletrodo durante a medição eletroquímica [13] Método: Meça a mudança de massa na superfície do eletrodo durante uma medição CV usando microbalança eletroquímica de cristal de quartzo (EQCM). Nota de aplicação: Estudo EQCM de camada de chumbo depositada com subpotencial (UPD) em ouro |
Investigue produtos e intermediários de vida curta por meio de sua resposta eletroquímica [14, 15] Método: Execute medições de bipotenciostato (dois eletrodos de trabalho) em uma configuração de anel/disco (RRDE). Nota de aplicação: Reação de redução de oxigênio com o eletrodo de disco anelar giratório |
Da ação às reações na literatura
Este artigo do Centro de pesquisa de células de combustível da Nissan (NFCRC) resume a abordagem analítica para redução da carga de Pt em camadas de catalisador de célula de combustível (CL) [7]. Usando uma abordagem experimental e teórica combinada, eles descrevem claramente as propriedades importantes necessárias para medir experimentalmente ou modelar para atingir seu objetivo de reduzir a quantidade de Pt usada no CL.
Eletrodissolução de platina em meio ácido após ciclagem potencial
Parâmetros focais para exploração:
1. Microestrutura do Catalisador
Objetivo da pesquisa: Determinar a superfície do eletrodo
Usando imagens de microscópio combinadas com Cdl (capacitância de camada dupla) e cobertura de ionômero, os pesquisadores conseguiram analisar e quantificar sua camada de catalisador. Eles usaram CV para determinar a cobertura de ionômero sobre o carbono comparando os valores de Cdl (úmido versus seco).
2. Propriedades de Transporte
Objetivo da pesquisa: Investigar o material depositado ou removido da superfície do eletrodo durante a medição eletroquímica
Pesquisas adicionais investigando a superfície do eletrodo foram realizadas com CV. Usando um eletrodo de disco giratório, os pesquisadores conseguiram determinar a resistência ao transporte de gás medindo a ORR (reação de redução de oxigênio). CV também permitiu a determinação do fator de rugosidade Pt.
3. Desempenho IV
Objetivo da pesquisa: Use CV IV para calcular o desempenho da célula de combustível
O desempenho IV é uma medida típica do desempenho geral da célula de combustível. Um potenciostato é necessário para medir a curva IV real, a fim de determinar a carga de Pt, para que o desempenho IV possa ser interpretado e comparado entre várias amostras.
Este artigo ilustra o valor da exploração sistemática de catalisadores com CV para fornecer uma visão abrangente de atributos, estrutura, e reações antes de passar para configurações mais complexas.
Suas investigações iniciais com CV podem não fornecer todas as respostas à primeira vista, mas você pode então passar para configurações e experimentos mais complexos com visão completa.
Suas conclusões de conhecimento
Referências
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