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La voltamperometría cíclica (CV) es la columna vertebral de la mayoría de las investigaciones electroquímicas y es una técnica electroquímica esencial que permite a los investigadores explorar catalizadores candidatos con mayor profundidad. Cuando se combina con el modelado, un protocolo sistemático centrado en objetivos proporcionará una variedad de datos que informarán al usuario sobre técnicas más novedosas y configuraciones complejas. Este enfoque ahorrará tiempo a largo plazo y es especialmente útil para aquellos que pueden tener acceso limitado a la instrumentación electroquímica en un laboratorio.
Este artículo proporciona una descripción general de los posibles objetivos de investigación al usar CV junto con ejemplos relevantes de la literatura científica.
La electrocatálisis (ECAT) se define como la catálisis de una reacción de electrodo. El efecto electrocatalítico conduce a un aumento de la constante de velocidad estándar de la reacción del electrodo, lo que da como resultado una mayor densidad de corriente o una disminución del sobrepotencial cuando están involucrados otros pasos que limitan la velocidad. El estudio de un proceso electrocatalítico requiere la caracterización del mecanismo y la cinética de la reacción del electrodo. Los métodos de convección forzada pueden ofrecer la ventaja de reducir las contribuciones del transporte de masa y proporcionar acceso directo a la información cinética y mecánica.
En la última década, se ha establecido una mayor comprensión de las transformaciones electroquímicas críticas, particularmente aquellas que involucran agua, hidrógeno y oxígeno.1]. La expansión de nuestra comprensión en este ámbito solo fue posible gracias al uso de técnicas electroquímicas críticas. Esto ha permitido a los investigadores no sólo explorar una mayor variedad de catalizadores, pero explóralos en mayor detalle.
Para responder al volumen potencial de exploración que puede descubrir materiales más rentables y renovables que no se encuentran en la etapa de agotamiento crítico, se requiere un enfoque sistemático de la investigación analítica.
Como siempre, constantemente se desarrollan nuevas técnicas, pero la técnica estándar de oro de exploración de catalizadores con voltamperometría cíclica (CV) todavía se recomienda como punto de partida para los investigadores.
Objetivos experimentales y selección de procedimientos
Para explorar de manera efectiva un catalizador candidato, es importante considerar cuál es el objetivo experimental y luego elegir el procedimiento en consecuencia. Ejemplos de objetivos posibles se enumeran en las siguientes secciones junto con procedimientos y/o técnicas sugeridas.
Explorando un nuevo sistema
Determine la ventana de estabilidad (E) del electrolito [2] Método: Realice la medición de CV en la ventana de voltaje amplio (E), utilizando un electrodo inerte (p. ej., carbón vítreo) e investigue el comportamiento redox general del material del electrocatalizador. |
Determine el área de superficie del electrodo para comparaciones cuantitativas [3–5] Método: Varios métodos que dependen del material: usando una reacción de superficie bien definida (p. ej., decapado o formación de óxido) o análisis de capacitancia electroquímica de doble capa (Cdl). |
Investigar el comportamiento redox general del material electrocatalizador [2] Método: Realice la medición de CV en una ventana amplia de voltaje (E), utilizando un electrolito bien conocido y un nuevo electrocatalizador. |
Investigar la estabilidad del electrocatalizador [6, 7] Método: Realice mediciones de CV repetitivas durante varios cientos de ciclos o durante varios días. |
Sondeo de una reacción electroquímica específica
Determine si una reacción es reversible (cinética de transferencia de electrones rápida), cuasi reversible (cinética lenta) o irreversible (gobernada por otros factores) [8, 9] Método: Realice mediciones de CV a varios valores de velocidad de escaneo, luego examine las dependencias para la posición máxima (Ecima) y la altura del pico (Icima) en la velocidad de exploración. |
Determine la energía de activación aparente de la reacción [10] Método: Realice mediciones de CV a varias temperaturas, luego analice gráficos electroquímicos de Arrhenius de log j frente a 1/T. |
Combinando CV con técnicas adicionales para confirmar resultados y profundizar la comprensión
Determinar la estructura molecular de productos o intermedios en una instancia específica de la reacción [9–12] Método: Realice mediciones de CV con determinación espectroscópica in situ (espectroelectroquímica mediante espectroscopia UV/Vis/NIR o Raman). |
Investigue el material depositado o eliminado de la superficie del electrodo durante la medición electroquímica [13] Método: Mida el cambio de masa en la superficie del electrodo durante una medición de CV usando una microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo (EQCM). Nota de aplicación: estudio de EQCM de una capa de plomo depositada bajo potencial (UPD) en oro |
Investigar productos e intermedios de vida corta a través de su respuesta electroquímica [14, 15] Método: Realice mediciones de bipotenciostato (dos electrodos de trabajo) en una configuración de anillo/disco (RRDE). Nota de aplicación: Reacción de reducción de oxígeno con el electrodo de disco de anillo giratorio |
Un caso real - Nissan
Este artículo del Centro de investigación de celdas de combustible de Nissan (NFCRC) resume el enfoque analítico para la reducción de la carga de Pt en las capas de catalizador de celdas de combustible (CL) [7]. Usando un enfoque experimental y teórico combinado, describen claramente las propiedades importantes requeridas para medir experimentalmente o modelar para alcanzar su objetivo de reducir la cantidad de Pt utilizada en la CL.
Electrodisolución de platino en medios ácidos sobre ciclos potenciales
Parámetros focales para la exploración:
1. Microestructura del catalizador
Objetivo de la investigación: Determinar la superficie del electrodo
Usando imágenes de microscopio combinadas con Cdl (capacitancia de doble capa) y cobertura de ionómero, los investigadores pudieron analizar y cuantificar su capa de catalizador. Usaron CV para determinar la cobertura de ionómero sobre el carbono comparando los valores de Cdl (húmedo versus seco).
2. Propiedades de transporte
Objetivo de la investigación: Investigue el material depositado o eliminado de la superficie del electrodo durante la medición electroquímica
Se realizaron investigaciones adicionales sobre la superficie del electrodo con CV. Usando un electrodo de disco giratorio, los investigadores pudieron determinar la resistencia al transporte de gas midiendo la ORR (reacción de reducción de oxígeno). CV también permitió la determinación del factor de rugosidad del Pt.
3. rendimiento intravenoso
Objetivo de la investigación: Use CV IV para calcular el rendimiento de la celda de combustible
El rendimiento IV es una medida típica del rendimiento general de la pila de combustible. Se necesita un potenciostato para medir la curva IV real a fin de determinar la carga de Pt para que el rendimiento IV pueda interpretarse y compararse entre varias muestras.
Este documento ilustra el valor de la exploración sistemática de catalizadores con CV para dar una visión general completa de atributos, estructura, y reacciones antes de pasar a configuraciones más complejas.
Es posible que sus investigaciones iniciales con CV no proporcionen todas las respuestas a primera vista, pero luego puede pasar a configuraciones y experimentos más complejos con una visión completa.
Referencias
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