Nova področja v analizni kemiji - This is abra
Transcription
Nova področja v analizni kemiji - This is abra
Univerza v Ljubljani Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Doktorski študijski program Kemija Nova področja v analizni kemiji Seminar 2012 Nosilec predmeta: prof. dr. Boris Pihlar Seminarska naloga je izdelana v okviru študijskih obvez podiplomskega predmeta Nova področja v analizni kemiji(KZ304). Delo ni lektorirano ali vsebinsko korigirano s strani predavateljev ali drugih univerzitetnih inštitucij. Avtor in inštitucija ne jamčita za pravilnost podatkov in navedb v objavljenem gradivu. Gradivo predstavljeno v tem delu je avtorska lastnina, oziroma last navedenih virov, iz katerih je bilo povzeto. Določanje elektrokemične površine Pt katalizatorja s pomočjo ciklične voltametrije Seminarska naloga pri predmetu: Nova področja v analizni kemiji Avtor: Lev Matoh Mentor: Prof. Boris Pihlar Ljubljana, avgust 2012 1. Uvod Naprave za elektrokemično pretvorbo energije kot so gorivne celice in elektrokemijske sončne celice, potrebujejo za delovanje katalizatorje, ki so cenovno ugodni, vzdržljivi in imajo visoko katalitsko aktivnost. Ti katalizatorji so po večini iz Pt ali različnih zlitin, ki vsebujejo Pt. Da bi lahko pri izdelavi uporabili čim manjše količine dragih kovin, je pomembno da imajo pripravljeni materiali veliko elektrokemično aktivno površino. Enakomerno razpršeni katalizatorji, sestavljeni iz nano-delcev, zadovoljujejo to potrebo, saj omogočajo večjemu števila Pt atomov, da sodelujejo pri reakciji in tako zmanjšajo potrebno količino za doseganje dobrih rezultatov. Velik pomen za razvoj in karakterizacijo materialov pa imajo analizne metode, ki omogočajo enostavno pridobivanje in evalvacijo relevantnih podatkov o elektrokatalitski aktivnosti pripravljenih katalizatorjev. Ker je testiranje v dejanskih sistemih komplicirano in zamudno, se poslužujemo enostavnejših metod, kot je npr. ciklična voltametrija. S pomočjo izmerjenih podatkov lahko nato izračunamo tri glavne katalitske parametre: elektrokemično površino, masno-specifično aktivnost in površinsko specifično aktivnost. 1.1. Ciklična voltametrija Ciklična voltametrija (CV) je ena izmed najbolj pogosto uporabljenih elektro-analiznih tehnik, ki se uporablja za preučevanje elektro-kemičnih lastnosti analita v raztopini. Uporablja se za preliminarno določitev mehanizmov reakcij, saj omogoča hitro pridobitev informacij o »elektrokemičnem spektru«, ki prikazuje potenciale pri katerih potekajo reakcije. Sam sistem je sestavljen iz treh elektrod (delovna, nasprotna in referenčna elektroda; pravimo mu tudi tri-elektrodni sistem) potopljenih v izbran elektrolit. Kombinacija topila, elektrolita in materiala elektrod pa določa območje potenciala, ki ga lahko uporabimo. Pri ciklični voltametriji nadzorujemo eksperimentalne parametre s potenciostatom, katerega naloga je spreminjanje potenciala na delovni elektrodi. Pri samem procesu potenciostat gradientno spreminja napetost v odvisnosti od časa, od začetnega nastavljenega potenciala do končnega potenciala, nato pa se proces obrne in potencial se gradientno spreminja še v obratni smeri (Slika 1). Gradientu (naklonu premice; dE/dt) pravimo tudi hitrost preleta (V/s). Potencial je nastavljen med delovno in referenčno elektrodo, medtem ko se tok meri med delovno in nasprotno elektrodo. Slika 1: Spreminjanje potenciala v odvisnosti od časa pri ciklični voltametriji (pri t0 začetni potencial, t1 – končni potencial, t2 – ponovno začetni potencail) Pridobljeni podatki se nato prikažejo kot tok (I) v odvisnosti od napetosti (V). Na takšnem diagramu so razvidni vrhovi toka za vse analite, ki se lahko oksidirajo oziroma reducirajo (odvisno od smeri preleta). Slika 2 prikazuje tipični cikličnovoltametrični diagram, iz katerega lahko prepoznamo štiri glavne parametre: višina katodnega (ipc) in anodnega (ipa) vrha ter potenciala katodnega in anodnega vrha (Epc, Epa). Slika 2: Prikaz tipičnega CV diagrama. Pri preletu opazimo nastanek vrhov, kar je posledica tega, da se tok poveča, ko se potencial približa oksidacijskemu potencialu analita in zmanjša, ko se analit v bližini površine elektrode porabi. Pri reverzibilnih redoks reakcijah se podobno zgodi tudi v nasprotni smeri preleta, le da gre tukaj za redukcijo analita, ki se je predhodno oksidiral. Iz rezultatov meritev lahko nato določimo redoks potencial ter hitrost elektrokemične reakcije. Pred uporabo CV za raziskovanje sistema je v navadi najprej izvesti kvalitativne eksperimente, da se dobi občutek za sistem. Temu sledijo kvalitativne raziskave iz katerih je možno izračunati kinetične parametre reakcij. V tipični raziskavi se posname več spektrov v različnih potencialnih območjih in pri različnih hitrostih preleta ter opazuje kako se spreminjajo vrhovi na diagramu. Iz primerjave vrhov pri spreminjanju parametrov snemanja ter predvsem primerjave prvega in nadaljnjih ciklov se lahko določi, kako so procesi, ki jih predstavljajo posamezni vrhovi, med seboj povezani. Hkrati pa se lahko iz odvisnosti amplitud vrhov od hitrosti preleta ugotovi kakšno vlogo imajo adsorpcija, difuzija in sklopljene homogene kemijske reakcije [1]. 2. Določanje aktivne površine Pt s ciklično voltametrijo Elektrokemično aktivna površina katalizatorja je pomembna lastnost in podatek o tem je nepogrešljiv pri določanju tako masne kot tudi specifične aktivnosti. Za določanje aktivne površine se lahko uporabijo različne metode, med katerimi je najbolj prikladna in enostavna ciklična voltametrija. CV-ji katalizatorja posnetega v elektrolitu brez kisika omogočajo določanje površine na dva načina. Prvi način je s pomočjo naboja potrebnega za adsorbcijo/desorbcijo sloja vodika na Pt elektrodi [2]. Drugi način pa je oksidacija predhodno adsorbiranega mono-molekularnega sloja CO v elektrolitu brez raztopljenega ogljikovega oksida [3]. V nadaljnjem besedilu se bom osredotočil predvsem na metodo, ki temelji na adsorpciji vodika. Za izvedbo meritev se uporablja standarden tri-elektrodni sistem z delovno, nasprotno in referenčno elektrodo. Nasprotna elektroda je po navadi iz platine. Referenčno elektrodo pa lahko izbiramo med tipičnimi elektrodami, kot so: reverzibilna vodikova elektroda (RHE), nasičena kalomelna elektroda (SCE), Ag/AgCl,… Izbira referenčne elektrode določa območje v katerem bodo procesi potekali in posledično območje meritev. Za doseganje dobrih in ponovljivih rezultatov je potrebno elektrode in steklovino pred meritvami temeljito očistiti, saj lahko že majhne koncentracije nečistoč precej vplivajo na določanje specifične aktivnosti pripravljenih Pt elektrod. Pomembna je tudi izbira elektrolita. Standardni elektrolit, ki se uporablja za tovrstne meritve je HClO4. Starejše raziskave sicer navajajo H2SO4 kot uporabljen elektrolit, vendar visoka adsorpcija HSO4- in SO42- ionov na površino Pt precej zniža njeno aktivnost [2]. Ker prisotnost kisika moti meritve, je potrebno elektrolit pred začetkom intenzivno prepihati z nereaktivni plinom kot sta dušik ali argon. Veljavnost te metode predpostavlja, da lahko natančno določimo točko, kjer se konča adsorpcija vodika ter da se površina popolnoma prekrije z vodikom, preden razvoj vodika postane pomemben faktor. Prav tako pa predpostavlja, da obstaja neposredno kvantitativno razmerje med izmerjenim nabojem in količino odloženega materiala ter da se površina elektrode po adsorpciji ne spremeni [4]. Slika 3: Ciklovoltamogram Pt elektrode v 0,1 M HClO4 z označenim delom, ki predstavlja adsorbcijo vodika na površino. Slika 3 prikazuje tipičen ciklovoltamogram pri treh različnih kvalitetah Pt katalizatorja. Območje meritve je odvisno od referenčne elektrode in je nastavljeno tako, da zgornja meja še ne dovoljuje raztapljanja delovne elektrode, medtem ko je spodnja meja tik nad potencialom, kjer se začne razvijati vodik (pri reverzibilni vodikovi elektrodi je to med 0,05 in 1,2 V). Na diagramu so razvidni tipični vrhovi Pt elektrode v raztopini perkloratne kisline [5], med katerimi senčen del diagrama predstavlja območje, ki se integrira za določitev naboja za adsorpcijo sloja vodika. Predpostavlja se, da QH-adsorbcija ustreza naboju potrebnemu, da se en atom vodika adsorbira na vsak kovinski atom na površini vzorca. Vrednosti dobimo pri preletu v negativno smer od 0,4 V do lokalnega maksimuma nad začetkom razvoja vodika (~0,075 V). Upoštevati pa je potrebno popravek za nabitje dveh slojev (zgornja ravna črta; pri računanju se to upošteva tako, da od izmerjenega toka odštejemo vrednost pri 0,4 V). Naboj se izračuna po naslednji enačbi: (1) kjer I predstavlja tok, E napetost in hitrost preleta. Ko upoštevamo popravek dobimo tako enačbo: (2) Dobljeno vrednost naboja (QH-adsorbcija) lahko nato uporabimo za izračun elektrokemične površine (ECSA, electrochemical surface area) delovne elektrode po naslednji enačbi: (3) pri čemer je QH-adsorbcija integral potencialnega preleta v negativno smer (0,4 -0,75 V) na CV-ju, 210 µC/cm2 je standardni naboj potreben za adsorbcijo monomolekularnega sloja vodika pri polikristalinični Pt elektrodi, LPt je masa Pt na enoto površine in Ag geometrijska površina delovne elektrode. Hrapavost (roughness factor, rf), ki predstavlja razmerje med dejansko površino in geometrijsko površino elektrode izračunamo po enačbi: (4) Iz enačb 3 in 4 je razvidno, da sta hrapavost in ECSA povezani z enačbo: (5) Opazimo torej, da je ECSA naklon premice, ki predstavlja linearni približek vrednosti rf v odvisnosti od LPt (Slika 4). Slika 4: Diagram odvisnosti rf od LPt. Čeprav je bila metoda uveljavljena predvsem za določanje površine Pt elektrod, je bila razširjena tudi na druge kovine prehoda, ki izkazujejo adsorbcijo vodika pri potencialnih območjih pred začetkom razvoja velikih količin vodika. Primeri drugih kovin so Rh, Ir in Ni. Metoda pa ni primerna za kovine, ki adsorbirajo vodik (npr. Pd). 3. Eksperimentalni del 3.1. Priprava vzorca Vzorce sem pripravil tako, da sem plast elementarne platine nanesel na steklene ploščice s prevodno plastjo SnO2:F. Za nanos sem uporabil »drop coating« metodo, ki omogoča natančno določitev mase Pt na vzorcu, tako da sem raztopino H2PtCl6 v etanolu razlil po površini vzorca in počakal, da se alkohol posuši. Tanek sloj Pt kompleksa sem nato izpostavil reducentu, da sem dobil plast reducirane platine. Končne količine Pt na vzorcih so bile 7,8, 3,9 in 1,95 µg/cm2. Tako pripravljene vzorce sem nato uporabil za nadaljnje analize. 3.2. Meritve S ciklično voltametrijo sem pridobil podatke o elektro-katalitskih lastnostih pripravljenih vzorcev. V tri elektrodnem sistemu je bila nasprotna elektroda iz Pt, referenčna elektroda je bila SCE, delovno elektrodo pa so predstavljali moji vzorci (v stiku z elektrolitom je bil 1 cm2 s Pt prekrite površine vzorca). Meritve so potekale v 0,1 M HClO4 v območju med -0,225 in 1,2 V (območje je prestavljeno v negativne potenciale zaradi uporabe druge referenčne elektrode) pri hitrostih preleta 20 mV/s ter sobni temperaturi. Elektrolit sem pred začetkom meritev 15 minut prepihoval z Ar, da sem odstranil raztopljen kisik. Da bi zagotovil ponovljivost rezultatov, sem delovno elektrodo pred začetkom meritev elektrokemično očistil s potencialnim ciklanjem (50 ciklov pri hitrosti preleta 100 mV/s). 3.3. Rezultati Slika 5 prikazuje ciklovoltamograme pripravljenih vzorcev pri različnih količinah nanesene Pt. Slika 5: primerjava ciklovoltamogramov posnetih z različnimi količinami nanesene Pt. Iz dobljenih rezultatov CV sem izračunal površino nad grafom, ki ustreza naboju potrebnemu za adsorpcijo vodika na površino Pt (Slika 6). S pomočjo enačbe 3 sem nato izračunal ECSA pripravljenih vzorcev Pt. Rezultati so podani v tabeli 1. Slika 6:: Ciklovoltamogram vzorca Pt (7,8 µg/cm2) z označenim delom, ki predstavlja adsorpcijo vodika na elektrodo. Iz rezultatov je razvidno, da elektrokemično aktivna površina pripravljenih vzorcev rahlo narašča z manjšanjem količine nanesene Pt. To je najverjetneje posledica nastanka manjših delcev med nanosom, saj z uporabo bolj razredčene raztopine prekurzorja zmanjšamo možnost aglomeracije delcev. Kljub vsem pa so izmerjene površine glede na podatke v literaturi [2] relativno nizke in bi se jih najverjetneje dalo še izboljšati. Tabela 1: 1: Rezultati določanja površine Pt. Vzorec LPt (µg/cm2) QH-adsorbcija adsorbcija (C) A 7,8 0,000733847 44,80 B 3,9 0,000381456 46,58 C 1,95 0,000200939 49,07 4. Zaključek Določanje elektrokemijsko aktivne površine Pt s pomočjo ciklične voltametrije je enostavno in hitro. Z določitvijo naboja potrebnega za adsorpcijo monomolekularnega sloja vodika na površino, lahko izračunamo dejansko površino elektrode. Pri upoštevanju mase Pt nanesene na geometrijsko površino elektrode, pa lahko izračunamo tudi njeno elektrokemično površino. Čeprav metoda ni absolutno zanesljiva je ena redkih, ki omogoča in situ pristop, brez dodatne obdelave vzorcev. Opisan postopek sem tudi praktično preizkusil in določill aktivno površino pripravljenih vzorcev tankih plasti platine pri različnih količinah nanosa. Pri sami izvedbi sem sicer naletel tudi na nekaj pogostih problemov, njihova razrešitev pa mi je poglobila razumevanje metode. 5. Literatura: [1] R. Greef, Instrumental methods in electrochemistry, Ellis horwood series in physical chemistry, (1990). [2] Y. Garsany, Experimental Methods for Quantifying the Activity of Platinum Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction, Anal. Chem. 82, 6321 (2010). [3] K. J. J. Mayrhofer, Measurement of oxygen reduction activities via the rotating disc electrode method: From Pt model surfaces to carbon-supported high surface area catalysts, Electrochimica Acta 53, 3181 (2008). [4] S. Trasatti, Real surface area measurements in electrochemistry, Pure and Appl. Chem. 63, 711 (1991). [5] N.M. Markovic, Surface science studies of model fuel cell electrocatalysts, Surf. Sci. Rep. 45, 117 (2002).