ECSA在电化学测试中确定电化学活性面积是非常重要的,尽管我之前反复强调过多看文献,分析图表,但是很多小白还是不明白如何取值,为何同一类样品不在一个区间,在一个区间电流密度又不在0上下,这一类的问题。
以下是非法拉第区间下ECSA的测试方法,可以解决以上所有问题。
(其他测试电化学面积的方法我没做过,比如:氢区积分法、CO溶出法,B站“测试云平台”有讲。)
电化学面积测试需要注意的几个要点:
1. ECSA测试区间
选择要求:①非法拉第区间。
法拉第电流,在电极上进行氧化还原反应形成的电流;非法拉第电流,保持在电极表面给双电层充电形成的电流。
对于OER反应来说电位选择区间要在理论电势1.23 V (vs. RHE)之前,1.23 V之后的100 mV 之内虽然不太可能发生水氧化,但很有可能发生材料自身的阴阳离子氧化反应,比如Ni2+,S2-,所以不可取。
理论上来说1.23 V之前的区间都是可行的,但是可能受材料组分影响最适区间不同,这个可以参考文献,或者自己摸索。(虽然有不少文献选择1.3 V之后,但我不建议。)
有的人建议电压区间设在开路电压左右,我之前也是这样,但是出现好多问题。测过开路电压的小伙伴肯定发现,开路电压的值并不是一个稳定值,OCPT下随时间一直变化,而且给出的开路电压换算下来明显在法拉第区间内,金属的氧化峰都包含进去了,所以开路电压不可取。阳极电势下,催化剂一直发生相重构而活化,表面结构改变,所以开路电压随时间一直下降。
同一类材料电压区间不一致的问题还是区间选择问题。
我常用的OER区间是1.05 V ~ 1.15 V (vs. RHE)左右,试过几种不同的电极材料(贵金属、过渡金属、氧化物、硫化物、氢氧化物),它们OER区间在这个区间都木有问题。
2.保证CV电流密度在0上下对称分布
这个电流密度区间代表双电层的充放电,一般在0上下对称分布。
你说我选择了1.05 V ~ 1.15 V(vs. RHE) 的区间,但是电流密度不在这个范围内怎么办?有办法。
我猜这大概是测完极化曲线之后测的ECSA,这时材料处于充放电不平衡的过程,电极材料相当于一个双电层电容器,阳极极化之后,材料处于过度放电状态,非法拉第区间下表现出明显的负极化电流。这个时候需要做的是把材料所带的极化电荷补充掉,使之处于平衡状态。具体操作是:
在这个电压区间下低扫速(10 mV/s)CV循环200圈,直至电流密度在0上下。
可以看到随着循环电流密度逐渐上移至0附近,双电层电容充放电逐渐趋于平衡。
根据材料的导电性不同,导电性好的材料,电子传输较快,因极化过度放电的电子补充较快,这个平衡过程比较快(几十圈左右);导电性差的材料,电荷传输慢,CV循环可能需要200圈以上。
3.扫速
扫速选择5-200 mV/s 这个范围内都是可以的,我一般习惯用10,20,40,60,80,100作图。
用正负电流密度的绝对值 / 2 对扫速作图,斜率就代表双电层电容。为什么除以2,因为我们作图取的是氧化电流和还原电流的加和,极化电流只有一半呀。
ECSA测试上的问题,我之前也经常会被困住,还好经高人指点得以解决,现在传授给你们,好好用。