Differential electrochemical mass spectrometry

Význam tématu

Diferenciální elektrochemická hmotnostní spektrometrie (DEMS) poskytuje unikátní možnost sledovat v reálném čase plynné a těkavé produkty elektrochemických reakcí přímo během experimentu. To je klíčové pro pochopení mechanismů, kinetiky a optimalizaci procesů v oborech jako výroba vodíku, palivové články nebo elektrokatalýza CO2.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje integraci potenciostatu Metrohm Autolab VIONIC se systémem online elektrochemické hmotnostní spektrometrie Hiden HPR-40 OEMS. Cílem je ukázat, jak lze synchronně měřit elektrochemické signály a hmotnostní spektra k detekci a kvantifikaci vodíku během cyklické voltammetrie v alkalickém prostředí.

Použitá instrumentace

• DEMS buňka s nanopórovou PTFE membránou
• Peristaltické čerpadlo a zásobník na elektrolyt (1 mol/L NaOH)
• Pracovní elektroda: Au napařované na PTFE membránu
• Proti elektroda: Pt drát
• Referenční elektroda: Ag/AgCl
• Potenciostat/galvanostat Metrohm Autolab VIONIC se softwarem INTELLO
• Online masový spektrometr Hiden HPR-40 OEMS
• Bespoke kabeláž pro přenos proudového (I) a potenciálového (E) signálu a spouštěcí logiku

Metodika

Experiment proběhl v polovodičové buňce s neustálým tokem elektrolytu. Potenciostat VIONIC aplikoval cyklickou voltammetrii v rozsahu –0,5 až –2 V vs Ag/AgCl při 50 mV/s. Současně byly signály proudu a napětí odesílány do softwaru Hiden a spuštění hmotnostního spektrometru bylo řízeno digitálním výstupem (DIO) potenciostatu.

Hlavní výsledky a diskuse

Výsledky ukazují, že při potenciálu přibližně –1,3 V vs Ag/AgCl dochází k nástupu evoluce vodíku, což je prokázáno nárůstem iontového proudu odpovídajícího H2 v hmotnostním spektru. Před touto hodnotou není pozorován žádný významný signál, což potvrzuje selektivitu a citlivost metody.

Přínosy a praktické využití metody

• Kvantitativní sledování plynů a těkavých mezi produktů in situ
• Hodnocení a optimalizace nových elektrokatalyzátorů
• Rychlá charakterizace kinetiky redoxních procesů
• Podpora vývoje palivových článků a elektrolyzérů

Budoucí trendy a možnosti využití

DEMS se bude rozšiřovat o vícekanálové detektory a kombinaci s dalšími spektroskopickými metodami. Automatizace měření a pokročilá datová analýza zpřístupní detailnější zkoumání komplexních elektrochemických systémů a přispěje ke zrychlení vývoje nových materiálů a technologií.

Závěr

Prezentovaná integrace Metrohm Autolab VIONIC a Hiden HPR-40 OEMS demonstruje spolehlivou a citlivou metodu pro simultánní měření elektrochemických parametrů a plynné fáze reakčních produktů. DEMS tak významně přispívá k pochopení a optimalizaci elektrochemických procesů.

Reference

1. Clark, E. L.; Bell, A. T. Direct Observation of the Local Reaction Environment during the Electrochemical Reduction of CO2. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 (22), 7012–7020.