Un'alternativa, bassa

Oct 27, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9368 (2022) Citare questo articolo

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La reazione elettrochimica di evoluzione dell'idrogeno (HER) è tipicamente studiata in un sistema a tre elettrodi. In questo sistema, vengono comunemente utilizzati diversi controelettrodi per garantire una cinetica veloce, inclusi Pt, oro e carbonio vetroso. Tuttavia, l’ampia applicazione di tali elettrodi ha sollevato dubbi sul contributo delle specie redox-attive che si dissolvono da tali elettrodi e si ridepositano sulla superficie dell’elettrodo di lavoro alla sovratensione misurata. Di conseguenza, questo è stato spesso confuso con l'effettiva firma elettrochimica del catalizzatore dell'elettrodo di lavoro, determinando un ingannevole miglioramento della sovratensione registrata. Questo problema diventa più critico quando le misurazioni dell'elettrolisi comportano una fase di attivazione, che richiede la necessità di controelettrodi alternativi stabili, soprattutto in mezzo acido, che viene comunemente utilizzato come elettrolita negli studi HER. Qui, mentre sveliamo sistematicamente tali problemi, viene dimostrato un controelettrodo alternativo che risolve tali problemi. Nello specifico, viene esplorata e discussa in dettaglio la correlazione tra l'area dell'elettrodo di lavoro e quella del controelettrodo, la velocità di dissoluzione del controelettrodo e l'intervallo di potenziale utilizzato nell'attivazione/pulizia della superficie accelerando la velocità di dissoluzione. Infine, la rete Ti commerciale si è dimostrata un controelettrodo emergente alternativo, che si è dimostrato molto stabile e conveniente per studiare l'HER in mezzi acidi.

Negli ultimi decenni, l’idrogeno è stato introdotto come una promettente alternativa ai tradizionali combustibili fossili. A questo proposito, l’elettrolisi è il processo comunemente utilizzato per produrre idrogeno in grandi quantità. In questo sistema, il Pt è l'elettrocatalizzatore più utilizzato per la semireazione di riduzione dell'acqua grazie alla sua efficiente conduttività elettrica, all'elevata resistenza meccanica e all'attività catalitica superiore1. Tuttavia, il suo utilizzo nella produzione su larga scala è stato fortemente limitato a causa del suo costo elevato. Pertanto, vi è una crescente necessità di sviluppare elettrocatalizzatori di reazione di evoluzione dell'idrogeno abbondanti sulla terra che possiedano un'attività catalitica paragonabile a quella del Pt pur essendo poco costosi. Ad esempio, studi precedenti hanno introdotto il carburo di molibdeno combinato con rGO, rivelando quasi la stessa attività nei confronti della reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) di Pt/C2. Inoltre, i catalizzatori a base di Ni-C hanno mostrato prestazioni paragonabili a quelle del Pt in HER3. Tuttavia, quasi la metà degli studi pubblicati relativi all'HER utilizzava Pt come controelettrodo senza alcuna membrana a scambio ionico4,5. Tuttavia, il Pt non è stabile e subisce una dissoluzione chimica/elettrochimica durante il potenziale ciclo4,6,7. Quindi, gli ioni Pt disciolti si ridepositano sulla superficie dell'elettrodo di lavoro, determinando un ingannevole aumento del sovrapotenziale misurato4,6,7. Inoltre, anche quando viene utilizzata una membrana a scambio ionico (Nafion), avviene comunque la dissoluzione e la deposizione del Pt sull'elettrodo di lavoro8. Queste preoccupazioni hanno reso necessaria la ricerca di controelettrodi alternativi. Di conseguenza, sono stati utilizzati materiali a base di carbonio come il carbonio vetroso o la barra di grafite. Tuttavia, la domanda è ancora lì; quegli elettrodi sono stabili? e se no, c'è una via d'uscita?

Per affrontare questo problema, qui, abbiamo studiato la stabilità dei controelettrodi più comunemente usati (Pt, Au e carbonio vetroso) durante l'HER in mezzi acidi. L'effetto dell'area relativa dell'elettrodo di lavoro rispetto al controelettrodo e l'intervallo di potenziale utilizzato nell'attivazione/pulizia della superficie sulla velocità di dissoluzione del controelettrodo e la sua correlazione con i sovrapotenziali registrati sono completamente affrontati e discussi. Infine, dimostriamo il potenziale della rete di titanio commerciale come controelettrodo stabile e funzionale per HER in mezzi acidi.