تحليل الكهربائي (OER)

خلفية
مع الزيادة السريعة في الطلب العالمي على الطاقة، تسبب حرق الوقود الأحفوري في سلسلة من المشاكل البيئية. يلتزم الباحثون في الداخل والخارج باستكشاف الطاقة النظيفة وأجهزة تخزين وتحويل الطاقة الصديقة للبيئة والفعالة. ومع مزايا الموارد الوفيرة والنظيفة والفعالة وكثافة الطاقة العالية والصديقة للبيئة، تعد الطاقة الهيدروجينية مصدرًا مثاليًا للطاقة المتجددة. ومع ذلك، فإن مصادر الهيدروجين وتخزينه هي أحد العوامل الرئيسية التي تحد من تطوره. تشمل طرق إنتاج الهيدروجين الحالية إنتاج الهيدروجين من الوقود الأحفوري، والكتلة الحيوية كإنتاج الهيدروجين كمادة خام، وتقسيم الماء. من بينها، يجذب إنتاج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء انتباه الناس بشكل متزايد بسبب مزايا حماية البيئة الخضراء والاستدامة وسهولة التصنيع، وما إلى ذلك. يتضمن تقسيم الماء تفاعل تطور الأكسجين (OER) وتفاعل تطور الهيدروجين (HER). تتمتع تفاعلات التحفيز الكهربائي هذه، وخاصة الموارد التعليمية المفتوحة، بمعدل حركية بطيء، مما يؤدي إلى زيادة الجهد الزائد وانخفاض الكفاءة مما يحد بشدة من التطوير والتطبيق العملي لأجهزة تحويل الطاقة. يمكن أن يؤدي استخدام المحفز الكهربائي إلى تقليل حاجز الطاقة في تفاعل التحفيز الكهربائي بشكل فعال، وتسريع معدل التفاعل، وتقليل الإمكانات الزائدة بحيث يمكن إكمال الموارد التعليمية المفتوحة بشكل فعال، وبالتالي تحسين كفاءة عمل جهاز التحويل. لذلك، أصبح استكشاف المحفزات الكهربائية للموارد التعليمية المفتوحة ذات الأداء العالي أحد العوامل الرئيسية لتحسين أداء أجهزة تحويل الطاقة.

نظرية
تعتبر الموارد التعليمية المفتوحة بمثابة تفاعل نصف مهم لأجهزة تحويل الطاقة الكهروكيميائية مثل تقسيم الماء وبطاريات الهواء المعدنية. في ظل الظروف الحمضية والقلوية، تكون الموارد التعليمية المفتوحة عبارة عن عملية مكونة من أربعة إلكترونات ذات معدل حركي بطيء، مما يحد من أداء أجهزة تحويل الطاقة الكهروكيميائية. الأداء العام. وفقًا لحسابات نظرية الكثافة الوظيفية، فإن الموارد التعليمية المفتوحة في ظل الظروف الحمضية والقلوية تشتمل على امتصاص المواد الوسيطة OOH* وO* وOH*. والفرق هو أن الخطوة الأولى من الموارد التعليمية المفتوحة في ظل الظروف الحمضية هي تفكك الماء، والمنتج النهائي هو H⁺و يا₂، في حين أن الخطوة الأولى من الموارد التعليمية المفتوحة في ظل الظروف القلوية هي امتزاز OH^-والمنتجات النهائية هي H₂يا و يا₂، كما هو موضح في الصيغة التالية.
البيئة الحمضية:

رد الفعل العام:2 ح₂يا → 4H⁺+ يا₂+ 4ه^-
*+ ح₂أو ⇌ أوه^*+ ح⁺+ ه^-
أوه^*⇌ أو^*+ ح⁺+ ه^-
يا^*+ ح₂أو ⇌ أوه^*+ ح⁺+ ه^-
أوه^*⇌^*+ يا₂+ ح⁺+ ه^-
البيئة القلوية:
رد الفعل العام:4أوه^-→ 2H₂يا + يا₂+ 4ه^-
*+ أوه^-⇌ أوه^*+ ه^-
أوه^*+ أوه^-⇌ أو^*+ ح₂يا + ه^-
يا^*+ أوه^-⇌ أوه^*+ ه^-
أوه^*+ أوه^-⇌^*+ يا₂+ ح₂يا + ه^-

حيث، * تعني الموقع النشط على سطح المحفز، وتشير OOH* وO* وOH* إلى وسيط الامتزاز.
وفقًا لآلية التفاعل الإلكتروني المكونة من أربع خطوات للموارد التعليمية المفتوحة، يمكن تحليل العوامل المهمة لتحسين الأداء التحفيزي للموارد التعليمية المفتوحة من منظور نظري:
(1) الموصلية الجيدة. نظرًا لأن عملية تفاعل الموارد التعليمية المفتوحة عبارة عن تفاعل نقل بأربعة إلكترونات، فإن الموصلية الجيدة تحدد النقل السريع للإلكترونات، مما يساعد على تقدم كل تفاعل أولي.
(2) يتمتع المحفز بامتصاص قوي لـ OH^-. كلما زادت كمية OH^-كلما كان من الأسهل متابعة التفاعلات الإلكترونية اللاحقة المكونة من ثلاث خطوات.
(3) قدرة قوية على الامتزاز الكيميائي للأكسجين وضعف قدرة الامتزاز الفيزيائي للأكسجين. إذا كانت قدرة الامتزاز الكيميائي للأكسجين قوية، فإن O₂يتم امتصاص الجزيئات المنتجة أثناء العملية الحفزية بسهولة أكبر من الموقع النشط للمحفز؛ إذا كانت قدرة الامتصاص الفيزيائي للأكسجين ضعيفة، فإن O₂من المرجح أن تترسب الجزيئات من سطح القطب، ويمكن تعزيز معدل تفاعل الموارد التعليمية المفتوحة. وهذا له أهمية توجيهية مهمة لتخليق وإعداد محفزات الموارد التعليمية المفتوحة.

تقييم أداء محفز الموارد التعليمية المفتوحة
الإمكانات الأولية والإمكانات الزائدة
تعد الإمكانات الأولية مؤشرًا مهمًا للنشاط التحفيزي للمحفز الكهربائي. ولكن بالنسبة لعملية الموارد التعليمية المفتوحة، من الصعب ملاحظة الإمكانات الأولية. تحتوي العديد من المحفزات الكهربائية في الموارد التعليمية المفتوحة على عناصر معدنية انتقالية مثل Fe، وCo، وNi، وما إلى ذلك. وسوف تخضع لتفاعلات الأكسدة أثناء عملية الموارد التعليمية المفتوحة وتولد قمم الأكسدة، والتي تمثل عقبة كبيرة أمام مراقبة الإمكانات الأولية. لذلك، في عملية الموارد التعليمية المفتوحة، يكون من الأكثر علمية وموثوقية ملاحظة الجهد الزائد المقابل عندما تكون كثافة التيار 10 10 مللي أمبير سم^-2أو أعلى.
يتم الحصول على القدرة الزائدة عن طريق قياس الجهد الخطي (LSV). تشير القدرة الزائدة إلى الفرق بين جهد القطب (مقابل RHE) عند كثافة تيار محددة (عادةً 10 مللي أمبير سم-2) وإمكانات التوازن لتفاعل القطب بقيمة 1.23 فولت، بشكل عام بالسيارات. كما هو مبين في الشكل 1، وفقًا للاختلاف في القدرة الزائدة للمحفز الكهربائي OER عند كثافة تيار تبلغ 10 مللي أمبير سم-2، تختلف معايير التقييم لتأثيره الحفاز أيضًا. كلما كانت القدرة الزائدة أصغر، قلت الطاقة المطلوبة للتفاعل، وكان نشاط المحفز أفضل. تتراوح القدرة الزائدة لمحفز الموارد التعليمية المفتوحة مع النشاط الحفاز المثالي عمومًا بين 200 إلى 300 مللي فولت.

منحدر تافيل
مخطط تافيل هو منحنى العلاقة بين جهد القطب وتيار الاستقطاب. يمكن أن يعكس حركية التفاعل لعملية الموارد التعليمية المفتوحة ويتكهن بآلية رد فعل عملية الموارد التعليمية المفتوحة. صيغة المعادلة هي:
η = أ + ب·السجل|ي|
حيث تمثل η القدرة الزائدة، ويمثل b منحدر Tafel، وj هي كثافة التيار، وa هو الثابت. يمكن استخدام ميل التافيل الذي تم الحصول عليه وفق المعادلة لتوضيح الخطوات الحركية وتحديد السرعة في عملية التفاعل. بشكل عام، كلما كان منحدر تافيل أصغر، قلت حواجز نقل الإلكترون للمحفز أثناء عملية التحفيز، وكان النشاط التحفيزي أفضل.

استقرار
يحدد استقرار المحفز في عملية الحفز بشكل مباشر ما إذا كان يمكن تطبيقه على نطاق واسع في الإنتاج الفعلي وهو أحد المؤشرات المهمة لأداء المحفز. بالنسبة للموارد التعليمية المفتوحة، هناك العديد من العوامل التي تؤثر على نشاط المحفز الكهربائي للموارد التعليمية المفتوحة. على سبيل المثال، سوف تؤثر حموضة وقاعدية المحلول على استقرار المحفز. تكون العديد من المحفزات الكهربائية في الموارد التعليمية المفتوحة مستقرة في ظل الظروف القلوية، ولكنها ليست جيدة في ظل الظروف الحمضية. بالإضافة إلى ذلك، فإن طريقة الاتصال بين المحفز الكهربائي والقطب الكهربائي العامل لها أيضًا تأثير كبير على الاستقرار. بشكل عام، سيكون النمو المباشر للمحفز في الموقع على القطب الكهربائي العامل أكثر استقرارًا من عامل الالتصاق العضوي الموجود على القطب الكهربائي العامل.
يوجد حاليًا اختباران كهروكيميائيان للحكم على ثبات المحفز. أحدهما هو قياس الجهد الزمني (أي الجلفانوستاتيكي). يتم تطبيق تيار ثابت على القطب، ومن ثم يتم الحكم على استقرار المحفز الكهربائي من خلال ملاحظة تغير الجهد مع مرور الوقت. وبالمثل، فإن منحنى it (أي ثبات الجهد) ينطبق أيضًا على اختبار المحفز. من خلال تطبيق جهد ثابت على القطب، ومراقبة تغير التيار مع مرور الوقت، يمكننا تحديد استقرار المحفز. والآخر هو إجراء آلاف أو حتى عشرات الآلاف من اختبارات قياس الجهد الدوري (CV) على المحفز الكهربائي في نطاق مسح محتمل معين، والحكم على استقرار المحفز الكهربائي من خلال مقارنة منحنيات استقطاب المحفز الكهربائي قبل وبعد اختبار قياس الجهد الدوري .
بالإضافة إلى الاختبارات الكهروكيميائية، يمكن أيضًا استخدام بعض اختبارات توصيف الطور مثل XRD وXPS وSEM وTEM وما إلى ذلك لمقارنة تغيرات الطور للمحفز الكهربائي قبل وبعد الحفز للحكم على ثبات المحفز الكهربائي.

إعداد التجربة
الصك: Corrtest Potentiostat
WE: قطب كهربائي زجاجي يعمل بالكربون مع محفز يتم تطبيقه بالتساوي على السطح
إعادة: Ag/AgCl القطب المرجعي
CE: قضيب الجرافيت
الحل: 0.1 م كوه

اختبار الكهروكيميائية
نشاط المحفز الكهربائي
التقنية: قياس الجهد الدوري (CV)
النطاق المحتمل: 0~1 فولت (مقابل Ag/AgCl)
معدل المسح: 50 مللي فولت ثانية^-1
التقنية - قياس جهد الاجتياح الخطي (LSV): النطاق المحتمل: 0~1 فولت (مقابل Ag/AgCl)، معدل المسح 5 مللي فولت في الثانية^-1

يتم استخدام التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) لدراسة حركية تطور الأكسجين التحفيزي الكهربائي للمحفز، ويتم تجهيز طيف المعاوقة عن طريق إنشاء دائرة مكافئة. تشتمل الدائرة على Rs (مقاومة المحلول)، وRct (مقاومة نقل الشحنة)، وCPE (عنصر زاوية الطور الثابت).
شروط اختبار المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) هي 0.5 فولت (مقابل Ag/AgCl)، ونطاق اختبار التردد هو 1 هرتز ~ 100 كيلو هرتز، والجهد المزعج هو 5 مللي فولت.

استقرار المحفز الكهربائي
يتم استخدام تقنيات اختبارات الجهد الكهربي والجلفاني والدوري لتقييم استقرار المحفز. اختبار الجلفانوستاتيك هو استخدام التيار المقابل تحت كثافة تيار معينة (عادة 10 مللي أمبير سم-2) كمخرج تيار ثابت، ومراقبة تغير الجهد خلال وقت الاختبار (10 ساعات)، ثم تقييم الاستقرار. تتمثل طريقة الجهد الكهربي في استخدام الجهد المقابل تحت كثافة تيار معينة (عادة 10 مللي أمبير سم-2) كخرج جهد ثابت، ومراقبة التغير الحالي خلال وقت الاختبار (10 ساعات)، ثم تقييم الاستقرار. في اختبار قياس الجهد الدوري، يكون نطاق الجهد 0~1 فولت (مقابل Ag/AgCl) ويتم فحص السيرة الذاتية بشكل دوري 1000 دورة. يتم توضيح ثبات المحفز من خلال مقارنة المنحنيات قبل وبعد اختبار الثبات وتحليل التغيرات.

إشعارات:

1. رد: يجب حفظ القطب الكهربائي Ag/AgCl في الظلام بدون ضوء، ويُرجى عدم استخدامه في المحلول القلوي لفترة طويلة. لا ينبغي استخدام قطب الكالوميل المشبع في المحلول القلوي لفترة طويلة. القطب الكهربائي Hg/HgO مناسب للمحلول القلوي.

2. CE - في اختبار CV وLSV لفترة طويلة، سوف يترسب سلك Pt أو لوحة Pt على سطح مادة الكاثود. من الأفضل عدم استخدامه في اختبار المواد المعدنية غير الثمينة في خلية التحليل الكهربائي المتجانسة.

3. هناك مشكلتان في الخلية التحليلية الزجاجية: تآكل الزجاج في المحلول القلوي وتأثير شوائب الحديد في الزجاج على نشاط الموارد التعليمية المفتوحة. إذا لم تكن التجربة دقيقة بشكل خاص، فلا بأس باستخدام خلية التحليل الكهربائي الزجاجية؛ ولكن إذا كنت ترغب في دراسة تأثير محتوى الحديد، فمن المستحسن استخدام بولي تترافلوروإيثيلين.