CS2350H双恒电位仪在催化剂材料方向的应用
来源：科思特仪器
发布时间：2020-04-03
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首先，制备的催化剂材料需要研磨成粉末，再配成溶液，滴在玻碳电极表面进行测试。一般称取一定质量的催化剂粉末，加入Nafion溶液，异丙醇，去离子水配成1mL的溶液。其中加入的溶剂比如乙醇，异丙醇，DMF等与催化剂材料有关。催化剂墨水浓度一般为5mg /mL，使用移液枪滴在玻碳电极表面，室温晾干，使催化剂均匀地铺在玻碳电极表面。负载量一般不超过400ug cm-2。
比如在0.1M的KOH电解液中进行测试，需要分别测试N2饱和条件下的CV，O2饱和条件下的CV和LSV。
首先测CV对体系进行活化，扫速为100mV/s，电压窗口略小于或等于CV测试窗口。N2饱和条件下的CV测试，电压窗口与参比电极有关，一般要换算成标准氢电极RHE，换算公式依据能斯特方程：
E(RHE) = E(SCE) + 0.0591pH + 0.24
E(RHE) = E(NHE) + 0.0591pH
E(NHE) = E(Ag/AgCl) + 0.197
对于0.1M KOH溶液来说，电位如果换算成标准氢电极NHE，即是E(SCE)+0.24V。对于使用SCE作为参比电极使用时，CV测试参数如下图1所示。O2 饱和条件下的CV测试，参数跟N2饱和条件下的一样。
图1. CV测试的参数设置界面
0.1M KOH溶液中CV测试时，饱和甘汞电极作为参比电极，电位窗口一般设置在-1V到0.2V之间，转换到RHE的时候范围是0V到1.2V，催化剂材料的过电位越小，能量转换效率越高，因此无论是起始电位还是半波电位都是越正越好。
O2 饱和条件下的LSV测试参数如下图2，扫描速率建议5mV/s，此时利用旋转圆盘电机来控制转速，就可以得到不同扫速条件下的LSV曲线。测试从0.2V扫到-1V是因为电极上发生的是氧还原反应，电位从正到负是还原过程。
图2. LSV测试的参数设置界面
催化剂材料的稳定性测试一般有两种，一种是测i-t曲线，电位选择发生极限扩散后的电位，相对于SCE一般-0.3V或者-0.4V，时间一般要数万秒，直接关注电流随时间的变化情况；另一种是循环几千圈CV后再测LSV曲线，与扫CV之前的LSV曲线对比。
转移电子数的测定也有两种方法：一种是利用K-L方程来计算，这里先解析一下K-L方程。首先是Levich方程即L方程：
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il是极限扩散电流，注意这个不是实际测得的极限扩散部分电流，A是电极几何面积，D为扩散系数，v为粘度系数，C为浓度，w为角速度，n为转移电子数。这里有时直接用电流密度j，那么方程中就去除面积A。
另外这里的系数0.62，对应角速度w，单位为rad/s，而有时系数为0.2，对应转数N，单位为r/min，换算公式w=2π*N或者w=π*N/30，跟单位有关。
但是实际测试情况为Koutecky-Levich方程，即K-L方程。
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这里的ik为无任何传质作用时的电流，也就是动力学控制电流，实际测试极限扩散部分的电流是这个电流和理论极限扩散电流共同组成的。因此求算转移电子数是极限扩散电流的倒数对角速度平方根倒数作图，得到的斜率除去常数，剩下的就是n了。
另外这个ik动力学控制电流也是评估材料活性的标准之一，相对测试的极限扩散电流，这个电流更为权威，具体方法也是根据K-L方程得到。
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这里J是当前电压的测试电流密度，Jd为极限扩散电流密度，显然在某个电压下，当前测试的电流密度越大的那个，其Jk也就越大，一般讨论的是某个半波电位处的Jk。
另一种测定n的方法是通过旋转盘环电极RRDE，测试双氧水的分解效率。参数设置如下图3，RRDE是双工作电极，在环上施加恒定电压，可以分解盘上产生的H2O2，并达到极限扩散。
图3. RRDE测试的参数设置界面
对于双氧水的碱性分解电位为1.48V vs. RHE，扫描速率为5mV/s，环电极上施加的电位为0.5V。处理数据用的公式为：
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或者
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这里的N叫环捕集系数，在圆盘电极上发生反应，反应产物通过旋转转移至圆环电极上发生反应，但是由于溶液的径向流动部分产物会带往圆盘的边缘和扩散到溶液内部。因此产物并不能得到完全反应，因此生成的产物与在环电极上被反应的产物之比为收集系数。N的理论值是通过公式计算的，实际上这个捕集系数就是在修正环电流密度。另外这里只能用电流密度因为环盘的面积不一定相等。
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