A collector-generator cell for in-situ detection of electrochemically produced H?

用于原位檢測(cè)電化學(xué)產(chǎn)氫的收集器-發(fā)生器裝置

來(lái)源：Heliyon 10 (2024) e27009

Heliyon（Cell出版社旗下的開(kāi)放獲取期刊）

摘要內(nèi)容：

摘要描述了一種基于收集器-發(fā)生器（C-G）雙工作電極技術(shù)的電化學(xué)裝置，用于原位檢測(cè)電催化產(chǎn)生的氫氣（H?）。該裝置由兩個(gè)沉積鉑納米顆粒的氟摻雜氧化錫（Pt/FTO）電極組成，間距約1 mm。在發(fā)生器電極施加還原電位（-0.5 ~ -0.6 V vs. Ag/AgCl）產(chǎn)生H?，H?擴(kuò)散至收集器電極后被氧化（0.4 ~ 0.5 V vs. Ag/AgCl），通過(guò)測(cè)量收集器的氧化電流定量H?生成量。裝置總法拉第效率穩(wěn)定在70%，檢測(cè)限為45 μmol/L，靈敏度為1 mA/55 μmol·L?1。該方法為評(píng)估半導(dǎo)體薄膜負(fù)載的產(chǎn)氫催化劑性能提供了便捷手段。

研究目的：

開(kāi)發(fā)一種原位、快速檢測(cè)電催化產(chǎn)氫的裝置，替代傳統(tǒng)氣相色譜和電化學(xué)氫氣傳感器，解決其樣品需求量大或需頻繁校準(zhǔn)的問(wèn)題，用于高效評(píng)估產(chǎn)氫催化劑性能。

研究思路：

裝置構(gòu)建：用Pt/FTO電極組裝C-G雙電極系統(tǒng)（間距1 mm），置于H型電解池中。

工作機(jī)制：發(fā)生器電極還原H?生成H?，擴(kuò)散至收集器電極氧化為H?，通過(guò)收集器電流定量H?。

性能優(yōu)化：調(diào)控電極電位、電解質(zhì)濃度（NaNO?）和緩沖液pH，評(píng)估裝置效率。

驗(yàn)證與標(biāo)定：結(jié)合法拉第定律計(jì)算H?摩爾量，并用氣相色譜和Unisense微傳感器驗(yàn)證擴(kuò)散損失及檢測(cè)限。

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義（對(duì)應(yīng)圖表）：

電流/電荷響應(yīng)（圖2）：

圖2A：發(fā)生器和收集器的電流-時(shí)間曲線，顯示H?生成與氧化的動(dòng)態(tài)過(guò)程（60 s達(dá)穩(wěn)態(tài)）。

圖2B：電荷累積曲線，表明收集器電荷量低于發(fā)生器，證實(shí)H?擴(kuò)散損失。

意義：驗(yàn)證裝置工作穩(wěn)定性，量化電荷轉(zhuǎn)移效率，為法拉第效率計(jì)算提供依據(jù)。

檢測(cè)限與靈敏度（圖3）：

圖3A：Unisense微傳感器測(cè)得的H?濃度變化（發(fā)生器電位-0.6 V時(shí)達(dá)313 μmol/L，收集器氧化后降至45 μmol/L）。

圖3B：對(duì)應(yīng)電流響應(yīng)（收集器電流從2.87 mA降至0.01 mA）。

意義：直接標(biāo)定裝置檢測(cè)限（45 μmol/L）和靈敏度（1 mA/55 μmol·L?1），證明其適用于低濃度H?原位檢測(cè)。

總法拉第效率影響因素（圖4）：

圖4A：電解質(zhì)濃度（0~1.0 M NaNO?）對(duì)效率的影響（低濃度時(shí)效率更高）。

圖4B：收集器電位（0.2~0.5 V）對(duì)效率的影響（0.4~0.5 V時(shí)效率達(dá)70%）。

意義：確定最佳操作參數(shù)（電解質(zhì)≤0.5 M，收集器電位0.4~0.5 V），優(yōu)化裝置實(shí)用性。

裝置穩(wěn)定性：

15小時(shí)恒電位測(cè)試電流波動(dòng)<0.01 mA，500次循環(huán)CV無(wú)顯著衰減。

意義：證實(shí)裝置長(zhǎng)期可靠性，滿足連續(xù)檢測(cè)需求。

結(jié)論：

成功構(gòu)建Pt/FTO雙電極C-G裝置，實(shí)現(xiàn)電催化產(chǎn)氫的原位檢測(cè)。

在優(yōu)化條件（發(fā)生器-0.5~-0.6 V，收集器0.4~0.5 V）下，總法拉第效率達(dá)70%，檢測(cè)限45 μmol/L，靈敏度1 mA/55 μmol·L?1。

裝置穩(wěn)定性高（>15 h），適用于半導(dǎo)體薄膜負(fù)載催化劑的產(chǎn)氫性能評(píng)估。

Unisense微傳感器數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義：

通過(guò)丹麥Unisense H?-NP微傳感器（圖3A）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)C-G裝置隔室內(nèi)的H?濃度變化：

檢測(cè)限標(biāo)定：當(dāng)收集器氧化電流降至0.01 mA時(shí)，對(duì)應(yīng)H?濃度穩(wěn)定在45 μmol/L，直接確定裝置檢測(cè)下限。

擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)驗(yàn)證：H?濃度從峰值313 μmol/L（生成階段）驟降至203 μmol/L（擴(kuò)散至本體溶液），隨后收集器氧化使?jié)舛冗M(jìn)一步降至45 μmol/L，直觀反映H?在裝置內(nèi)的擴(kuò)散與消耗過(guò)程。

靈敏度關(guān)聯(lián)：收集器電流（2.87 mA→0.01 mA）與H?濃度變化的同步性（313→45 μmol/L）建立了電流信號(hào)與H?濃度的定量關(guān)系（1 mA對(duì)應(yīng)55 μmol·L?1），為裝置定量分析提供原位校準(zhǔn)依據(jù)。