一种多孔电极氧还原选择性的测试方法与流程

本发明属于氧还原，具体涉及一种多孔电极氧还原选择性的测试方法。

背景技术：

1、多孔电极是指具有一定厚度且内部包含多孔结构从而比平板电极比表面积大很多的一种电极结构。这种电极因为具有更大的活性比表面积而更有利于电化学反应的进行，能够避免反应过程中的体积收缩和膨胀带来的电极变形或活性物质脱落等问题，因此广泛应用于耗气反应。

2、对于氧还原反应中双氧水的选择性，传统的方法是采用旋转环盘电极的方法。通过改变环盘的旋转速度，控制电极表面的传质速度等方式，结合koutecky-levich方程对电极催化剂进行评价，具体操作为：将含有少量催化剂的浆料滴涂在旋转环盘电极表面，然后改变旋转环盘电极的转速以改变电极表面的传质速度，最终依据转速对极限电流的影响的定量关系来评价催化剂选择性。但是，旋转环盘电极在评价氧还原催化剂方面存在三个主要局限性：首先，其适用性受限，仅适用于薄层或“面型”催化剂的评价，而对于具有一定厚度的“体型”催化剂则难以准确评估，因为该技术无法全面考量整个电极结构的性能。其次，评价结果的完整性不足，因为它主要针对电极表面的催化剂性能进行测试，忽视了实际应用中电极结构和气体扩散等因素对催化剂性能的影响。最后，评价过程繁琐且易产生误差，因为在对燃料电池电极进行评价时，需要先将催化剂从原电极上刮下，再重新涂覆到旋转圆盘电极上，这一过程不仅操作复杂，而且可能导致评价结果出现偏差。

3、为了解决以上问题，提出本发明。

技术实现思路

1、针对目前尚缺乏对多孔电极在工作状态下氧还原选择性性能评价的方法，本发明提供了一种不同电位的二电子氧还原反应电极的选择性测试方法，可以对多孔电极不同电位下的选择性进行简易、精准、全面、快速的评价。

2、二电子氧还原反应即氧气在电极的催化作用下生成双氧水的反应，其副产物为水。

3、本发明提供一种多孔电极氧还原选择性的测试方法，所述测试方法采用以下测试仪进行，所述测试仪包括：含有电解液的电化学反应池，多孔电极，对电极，参比电极，电化学工作站；

4、其中，所述多孔电极完全被浸没在所述电解液中；

5、所述电化学工作站分别与所述多孔电极和对电极电连接，所述电化学工作站为所述测试仪提供电压，并记录电流随时间的变化；

6、所述对电极和参比电极设置在所述电化学反应池内；

7、所述测试方法包括如下步骤：

8、步骤1、向电解液中持续通氧气并保持被氧气饱和，并开启电化学工作站，为所述测试仪提供第一电位的电压，测出电流随时间变化曲线；

9、步骤2、停止通入氧气，为所述测试仪提供第二电位的电压，记录第二电位下电流随时间变化；

10、步骤3、在步骤2的电流稳定后在所述多孔电极下方打一个氧气泡，记录第二电位下打出气泡后电流随时间的变化；

11、步骤4、通过对上述电流曲线进行监测分析，根据以下方法计算所述第二电位下的二电子氧还原反应多孔电极的选择性；

12、步骤5、根据下式计算步骤步骤1和步骤3中的电流曲线产生的电荷量q：

13、q＝∫idt；

14、其中i代表电流，单位a；

15、t代表时间，单位s；

16、步骤6、根据下式计算步骤1中的法拉第效率ce：

17、ce(％)＝nfcv/q*100％；

18、n代表转移电子数，具体为2；

19、f代表法拉第常数，具体为96500c/mol；

20、c代表产生的双氧水浓度，单位mol/l，具体数值通过检测得到；

21、v代表测试仪器中所用电解液的体积，单位l；

22、q代表步骤1中的电流曲线产生的电荷量；

23、步骤7、根据下式计算步骤1中的选择性η：

24、η＝2*ce/(1+ce)；

25、ce为步骤6得到的法拉第效率ce；

26、步骤8、根据下式计算步骤1中的平均转移电子数z：

27、z＝2*η+4*(1-η)；

28、η为步骤7计算得到的选择性；

29、步骤9、根据下式计算步骤3中的有效活性位点密度ρec:

30、

31、z代表步骤7计算得到的平均转移电子数z；

32、f代表法拉第常数，具体为96500c/mol；

33、h代表气膜厚度，此数值与多孔电极有关，计算方式为现有技术，具体可见授权专利cn 110133093b。

34、c0代表初始氧气浓度，数值为44.6mol/l，，此数值为多孔电极在空气中其孔隙内容纳的氧气浓度，数值为定值。

35、na代表阿伏伽德罗常数，数值为6.022×1023；

36、q是对步骤3中的电流随时间变化曲线进行积分得到；

37、r代表氧气与·h2o反应的阈值距离，数值为5.00×10-10m；

38、步骤10、不同电位下有效活性位点密度假定不变，则第二电位的平均转移电子数为：

39、

40、其中，ρec代表步骤7计算得到的有效活性位点密度ρec；

41、na代表阿伏伽德罗常数，数值为6.022×1023；

42、q为步骤3中对应的不同电位下的积分电荷量；

43、r代表氧气与·h2o反应的阈值距离，数值为5.00×10-10m；

44、f代表法拉第常数，具体为96500c/mol；

45、h代表气膜厚度；

46、c0代表初始氧气浓度，数值为44.6mol/l，多孔电极在电解液中其孔隙在发生电化学反应前孔隙内容纳的氧气浓度，数值为定值。

47、步骤11、计算所述第二电位下的二电子氧还原反应多孔电极的选择性为：

48、η＝(4-z)/2；

49、其中，z为步骤8得到的所述第二电位下的平均转移电子数。

50、优选地，所述氧气泡的体积为3.5微升。

51、优选地，所述电极为多孔电极。

52、优选地，所述电解液为0.1mol/l的koh电解液。

53、优选地，步骤1中持续时间为30分钟。

54、优选地，所述第一电位和第二电位相同或不同。

55、优选地，步骤1中第一电位为0.3v vs rhe；

56、步骤3中第二电位为：0.1v vs rhe、0.2v vs rhe、0.3v vs rhe、0.4v vs rhe或0.5v vs rhe。

57、优选地，所述多孔电极选自多孔碳材料或者多孔非碳材料。

58、优选地，所述多孔碳材料选自碳纸、碳布或碳毡；所述多孔非碳材料选自：泡沫金属或金属网。

59、泡沫金属选自泡沫镍等。金属网选自镍网等。

60、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

61、1、本发明创造性设计出一种不同电位的二电子氧还原反应电极的选择性测试方法，能够快速一次性评价多孔电极在氧还原反应中不同电位的选择性。

62、本技术很好的将选择性和平均转移电子数与i-t曲线中的电荷量通过有效活性位点进行关联，得到了一种适用于实际工作情况下的电极的二电子氧还原选择性的方法。现有技术对二电子氧还原的选择性只在催化剂层面进行研究，而未能考虑实际工况下的电极结构带来的选择性问题，本技术的独创性在于，相比于cn 110133093b，通过假定有效活性位点不随电位改变，在初始电位下得到选择性后可以快速得到不同电位下的选择性。

63、2、本发明解决了多孔电极选择性测试的复杂性，此选择性对应于多孔电极的实际应用时的工作状态，检测效果更加实用。

64、3、本发明方法通过改变实验条件，还可以考察电解液、电压、不同催化剂等因素对选择性的影响。

65、4、本实验装置简单，可以快速批量操作，也适用于自动化检测中。