研究简介:化石燃料的过度开采和利用导致了全球能源危机。因此，世界各国迫切寻求和开发清洁、高效的可再生能源。氢作为替代能源，已广泛应用于能源储存、工业和交通运输等领域。其主要优点包括：与传统燃料相比，氢气具有更高的能量密度（120 MJ/kg），并且可以通过水电解和燃料电池技术转化为电能。氢气既可以从化石燃料中获得，也可以从可再生资源中获取。电化学水分解是生产氢气的一种简单方法，而光电化学（PEC）水分解技术也是获取可再生燃料的一种有前景的技术。在这些策略中，氢气生产催化剂起着至关重要的作用，其基本功能是降低水分解的活化能，提高反应速率。随着对环境影响的广泛关注，开发低成本、高活性和持久的催化剂变得尤为重要。在催化反应过程中，测定氢气浓度是评估催化剂活性的直观方法。目前，氢气的定量检测最常用的方法是气相色谱和电化学氢气传感方法。电化学氢气传感器通过检测氢气与其电极发生电化学反应时的变化来工作，能够实时测量反应系统中氢气浓度的变化。但这种方法需要定期校准以确保准确可靠的测量，这可能耗时且需要额外资源。先前报道的C-G电池技术基于电化学反应机制，能够同时进行电氧化和电还原反应。由于其便利性、准确性和可重复性，已在一些中性溶液系统中通过电催化产生氢气的检测中得到应用。


本研究构建了一个使用涂有Pt纳米颗粒的FTO电极的C-G电池，以实现电催化H2产生的原位检测。这种设计提供了一种简单的方法来生成H2，并允许通过在集电器上电催化氧化H2产生的电流大小进行H2的定量分析。


Unisense微电极系统的应用


利用位于双工作电极室的Unisense H2-NP型针状微传感器监测电化学测量过程中产生的析氢。实验前，对氢微传感器进行了标定。灵敏度根据电化学测量时通过集电极的电流和发生器上产生的氢气总量来确定。


实验结果


描述了用于原位检测电化学H 2产生的CG电池设计。CG电池由两个沉积有Pt颗粒的FTO电极组成。两个Pt/FTO电极之间的距离为1mm，允许H 2从发生器扩散到收集器，在收集器中它被快速氧化成H+。实验结果表明，这种CG细胞具有可重复且可靠地测定H2的优点。

图1、(A)集电极-发电机(CG)电池原理图；(B)组装在H型玻璃电解池中的三电极系统。

图2、（A）集电极的电流-时间曲线（上）和发电机的电流-时间曲线（下）。(B)CG电池的充电时间曲线。红线代表通过发生器的电荷，蓝线代表通过集电极的电荷。

图3、(A)氢气微传感器测量的H2浓度。(B)CG电池的发生器（实线）和集电极（虚线）相应的电流-时间曲线。

图4、CG电池的总法拉第效率与(A)电解质浓度和(B)pH 4.56的0.1 M醋酸盐缓冲液中集电极电位的关系。

图5、由Pt/FTO电极和在h型玻璃电解池中组装的三电极系统组成的C-G电池的照片。


结论与展望


本研究开发了一种新型的集电器-发生器（C-G）电池，用于原位检测通过电化学催化产生的氢气（H2）。这种电池主要由两个涂有铂（Pt）纳米颗粒的氟掺杂锡氧化物（FTO）电极组成，这些电极被设计为在非常接近的距离（1毫米）内工作，以促进氢气从发生器到集电器的扩散。通过精确控制电位，研究者能够在集电器上通过电催化氧化H2产生的电流来定量分析在发生器上产生的H2。实验结果表明，该C-G电池在特定的电位设置下，能够实现高达70%的总法拉第效率，检测限约为45μmol/L。通过在集电器上电催化氧化H2产生的电流大小进行H2的定量分析。其中氢气的定量分析使用unisense氢气微电极传感器测试完成的。在特定的电位设置下，C-G电池的总法拉第效率可以稳定在约70%，检测限约为45μmol/L，灵敏度约为1 mA/55μmol L−1。基于H 2氧化还原反应机制，CG电池有可能成为评估组装在半导体薄膜上的H2生成催化剂性能的通用方法。这种双工作电极技术为H2的测定和评估组装在半导体薄膜上的H2生成催化剂的性能提供了一种方便和快速的方法。本研究提供了一种新的技术方法，用于原位检测电化学过程中产生的氢气（unisense氢气微电极传感器）。这种方法不仅提高了检测的便利性和速度，而且具有较高的灵敏度和准确性。该研究不仅在科学上提供了一种新的检测方法，而且在技术和应用层面上具有重要的意义，有助于推动氢能源技术的发展，对促进可持续能源解决方案具有积极影响。