研究簡介:化石燃料的過度開采和利用導致了全球能源危機。因此，世界各國迫切尋求和開發(fā)清潔、高效的可再生能源。氫作為替代能源，已廣泛應用于能源儲存、工業(yè)和交通運輸?shù)阮I域。其主要優(yōu)點包括：與傳統(tǒng)燃料相比，氫氣具有更高的能量密度（120 MJ/kg），并且可以通過水電解和燃料電池技術轉(zhuǎn)化為電能。氫氣既可以從化石燃料中獲得，也可以從可再生資源中獲取。電化學水分解是生產(chǎn)氫氣的一種簡單方法，而光電化學（PEC）水分解技術也是獲取可再生燃料的一種有前景的技術。在這些策略中，氫氣生產(chǎn)催化劑起著至關重要的作用，其基本功能是降低水分解的活化能，提高反應速率。隨著對環(huán)境影響的廣泛關注，開發(fā)低成本、高活性和持久的催化劑變得尤為重要。在催化反應過程中，測定氫氣濃度是評估催化劑活性的直觀方法。目前，氫氣的定量檢測最常用的方法是氣相色譜和電化學氫氣傳感方法。電化學氫氣傳感器通過檢測氫氣與其電極發(fā)生電化學反應時的變化來工作，能夠?qū)崟r測量反應系統(tǒng)中氫氣濃度的變化。但這種方法需要定期校準以確保準確可靠的測量，這可能耗時且需要額外資源。先前報道的C-G電池技術基于電化學反應機制，能夠同時進行電氧化和電還原反應。由于其便利性、準確性和可重復性，已在一些中性溶液系統(tǒng)中通過電催化產(chǎn)生氫氣的檢測中得到應用。


本研究構(gòu)建了一個使用涂有Pt納米顆粒的FTO電極的C-G電池，以實現(xiàn)電催化H2產(chǎn)生的原位檢測。這種設計提供了一種簡單的方法來生成H2，并允許通過在集電器上電催化氧化H2產(chǎn)生的電流大小進行H2的定量分析。


Unisense微電極系統(tǒng)的應用


利用位于雙工作電極室的Unisense H2-NP型針狀微傳感器監(jiān)測電化學測量過程中產(chǎn)生的析氫。實驗前，對氫微傳感器進行了標定。靈敏度根據(jù)電化學測量時通過集電極的電流和發(fā)生器上產(chǎn)生的氫氣總量來確定。


實驗結(jié)果


描述了用于原位檢測電化學H 2產(chǎn)生的CG電池設計。CG電池由兩個沉積有Pt顆粒的FTO電極組成。兩個Pt/FTO電極之間的距離為1mm，允許H 2從發(fā)生器擴散到收集器，在收集器中它被快速氧化成H+。實驗結(jié)果表明，這種CG細胞具有可重復且可靠地測定H2的優(yōu)點。

圖1、(A)集電極-發(fā)電機(CG)電池原理圖；(B)組裝在H型玻璃電解池中的三電極系統(tǒng)。

圖2、（A）集電極的電流-時間曲線（上）和發(fā)電機的電流-時間曲線（下）。(B)CG電池的充電時間曲線。紅線代表通過發(fā)生器的電荷，藍線代表通過集電極的電荷。

圖3、(A)氫氣微傳感器測量的H2濃度。(B)CG電池的發(fā)生器（實線）和集電極（虛線）相應的電流-時間曲線。

圖4、CG電池的總法拉第效率與(A)電解質(zhì)濃度和(B)pH 4.56的0.1 M醋酸鹽緩沖液中集電極電位的關系。

圖5、由Pt/FTO電極和在h型玻璃電解池中組裝的三電極系統(tǒng)組成的C-G電池的照片。


結(jié)論與展望


本研究開發(fā)了一種新型的集電器-發(fā)生器（C-G）電池，用于原位檢測通過電化學催化產(chǎn)生的氫氣（H2）。這種電池主要由兩個涂有鉑（Pt）納米顆粒的氟摻雜錫氧化物（FTO）電極組成，這些電極被設計為在非常接近的距離（1毫米）內(nèi)工作，以促進氫氣從發(fā)生器到集電器的擴散。通過精確控制電位，研究者能夠在集電器上通過電催化氧化H2產(chǎn)生的電流來定量分析在發(fā)生器上產(chǎn)生的H2。實驗結(jié)果表明，該C-G電池在特定的電位設置下，能夠?qū)崿F(xiàn)高達70%的總法拉第效率，檢測限約為45μmol/L。通過在集電器上電催化氧化H2產(chǎn)生的電流大小進行H2的定量分析。其中氫氣的定量分析使用unisense氫氣微電極傳感器測試完成的。在特定的電位設置下，C-G電池的總法拉第效率可以穩(wěn)定在約70%，檢測限約為45μmol/L，靈敏度約為1 mA/55μmol L?1?；贖 2氧化還原反應機制，CG電池有可能成為評估組裝在半導體薄膜上的H2生成催化劑性能的通用方法。這種雙工作電極技術為H2的測定和評估組裝在半導體薄膜上的H2生成催化劑的性能提供了一種方便和快速的方法。本研究提供了一種新的技術方法，用于原位檢測電化學過程中產(chǎn)生的氫氣（unisense氫氣微電極傳感器）。這種方法不僅提高了檢測的便利性和速度，而且具有較高的靈敏度和準確性。該研究不僅在科學上提供了一種新的檢測方法，而且在技術和應用層面上具有重要的意義，有助于推動氫能源技術的發(fā)展，對促進可持續(xù)能源解決方案具有積極影響。