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電催化反應(yīng)是在電化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，用催化材料作為電極或在電極表面修飾催化劑材料，從而減低反應(yīng)的活化能，提升電化學(xué)反應(yīng)的效率。

電催化劑是電催化反應(yīng)中的關(guān)鍵材料之一，其活性高低對(duì)電催化反應(yīng)的速率和成本起著關(guān)鍵作用。對(duì)電催化劑的制備、電催化過(guò)程和反應(yīng)機(jī)理的研究已經(jīng)成為電化學(xué)、表面科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)等交叉的前沿學(xué)科。本解決方案主要關(guān)注電催化劑的研究。

各種表征技術(shù)對(duì)于電催化劑的研究是必不可少的，電催化劑的表征分為基本性質(zhì)和電催化性能表征。基本性質(zhì)包括催化劑的組成、結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)等，電催化性能一般分為在溶液中或在單電池中的電催化活動(dòng)及穩(wěn)定性和耐久性。島津可以提供電催化劑研究涉及的各種表征分析儀器及解決方案。

01

電催化劑材料元素組成表征

l                      典型應(yīng)用案例

EDX-7200測(cè)試鈀鹽中的Pd含量

貴金屬鈀（Pd）是電催化劑研究中常用貴金屬元素，氯化鈀是一種重要的高端載體催化劑前驅(qū)體，在生產(chǎn)活性炭載鈀催化劑過(guò)程中具有不可替代性。采用EDX -7200測(cè)定氯化鈀中鈀的含量，制樣簡(jiǎn)單，測(cè)試速度快，準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好。

樣品前處理：

取適量PdCl2粉末樣品于壓樣環(huán)中，在30噸壓力下制成片狀，待分析。校準(zhǔn)樣品與試樣采用相同的制樣方法。

測(cè)試結(jié)果：

首先使用基本參數(shù)法對(duì)PdCl2樣品進(jìn)行定性分析，圖譜見(jiàn)圖1，從圖譜可以看出，樣品中含有微量的Al和Si等雜質(zhì)元素。

圖1  PdCl2樣品定性分析譜圖

采用外標(biāo)法進(jìn)行定量，Pd定量分析結(jié)果見(jiàn)表1，從結(jié)果看，誤差控制在0.2%以內(nèi)，準(zhǔn)確度好。

表1 試樣PdCl2中Pd分析的準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)

EDX-7200/8100

•無(wú)需化學(xué)前處理，可進(jìn)行非破壞性分析

•快速分析，最快30s可出結(jié)果

•寬廣的定量濃度范圍（ppm-100%）

•通過(guò)基本參數(shù)法（FP法），無(wú)需標(biāo)準(zhǔn)樣品即可實(shí)現(xiàn)定量分析

02

有機(jī)分子電催化劑材料有機(jī)組成表征

l                      典型應(yīng)用案例

LCMS-9030液相串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀定性分析橡膠中未知物質(zhì)

樣品前處理：取溴化丁基橡膠適量，剪碎，加入20%乙醇/水溶液（V/V）進(jìn)行提取，橡膠重量與提取溶劑比例為0.5g/mL，85℃加熱回流1小時(shí)。所得提取液經(jīng)過(guò)0.22µm聚四氟乙烯濾膜過(guò)濾侯上機(jī)分析。

圖2  不同CE能量下目標(biāo)物MS2譜圖

將CE 25V下質(zhì)譜圖導(dǎo)入Formula Predictor，并對(duì)主要碎片離子進(jìn)行分子式預(yù)測(cè)，結(jié)果如下表所示。

表2 主要二次碎片分子式預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3  ACD軟件的二級(jí)碎片歸屬結(jié)果（紅色為歸屬成功）

搜索該結(jié)構(gòu)，可得此物質(zhì)的名稱為9,10-二羥基硬脂酸，CAS#120-87-6，是一種常見(jiàn)的化工中間原料。

利用LCMS-9030超高效液相色譜四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用儀，找到了橡膠提取溶液中的未知物質(zhì)。在LCMS-9030高質(zhì)量測(cè)定準(zhǔn)確度和分子式預(yù)測(cè)軟件的幫助下，確定了該未知物的分子式。

液相串聯(lián)四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜儀LCMS-9030

• 準(zhǔn)確：sub-ppm級(jí)質(zhì)量準(zhǔn)確度

• 穩(wěn)定：長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，減少校正和維護(hù)

• 靈敏：媲美三重四極桿的高靈敏度

• 快速：最快每秒100張圖譜采集

03

電催化劑材料結(jié)構(gòu)表征

l                      典型應(yīng)用案例

使用激光粒度儀測(cè)試石墨類負(fù)極材料的粒度

使用激光粒度儀SALD-2030濕法測(cè)試石墨類負(fù)極材料的粒徑大小和分布，測(cè)試速度快，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且重復(fù)性好。

樣品前處理：

取適量石墨類負(fù)極材料粉末用純水?dāng)嚢杈鶆颍?jīng)外部超聲分散后，滴加至循環(huán)流通池中，同時(shí)添加少量表面活性劑（1%家用洗滌劑），隨后進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：

圖4、圖5是石墨類負(fù)極材料樣品A和B的粒徑分布圖。

表3是石墨類負(fù)極材料測(cè)試結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，粒度儀智能化軟件可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)分析，展示樣品粒度的各種信息。

圖4 石墨A粒徑分布圖          圖5 石墨B粒徑分布圖

表3 石墨類負(fù)極材料粒度測(cè)試結(jié)果

粒度儀SALD-2300

• 解決折射率選擇的難題

• 可有效解決不同廠家測(cè)試結(jié)果差異的問(wèn)題

• 單光源實(shí)現(xiàn)全范圍無(wú)斷點(diǎn)的可靠分析

• 間隔1秒的超高速監(jiān)控團(tuán)聚或溶解過(guò)程

• 高靈敏度可測(cè)至0.1ppm微量粒子，同時(shí)對(duì)深顏色甚至黑色樣品也可輕松檢測(cè)

04

電催化劑材料表面性質(zhì)表征

典型應(yīng)用案例

XPS表征鉑碳催化劑

使用X射線光電子能譜儀（XPS）分析鉑碳催化劑表面的元素組成和價(jià)態(tài)，結(jié)果表明Pt以金屬單質(zhì)形態(tài)存在。

樣品處理：

直接用雙面絕緣膠帶將樣品貼于樣品條上，放入真空腔內(nèi)測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：

圖6 為全掃得到元素種類進(jìn)行精細(xì)譜掃描分析譜圖，從譜圖可知C元素主要為活性炭物種（~284.6eV），Pt元素主要以金屬態(tài)形式存在（~71.4eV），Pt 4p3/2對(duì)O元素有部分干擾，O元素主要以-OH化學(xué)態(tài)的形式存在（~532.7eV），推測(cè)來(lái)自于表面吸附。

圖6 XPS各元素精細(xì)譜掃描結(jié)果

X射線光電子能譜儀AXIS SUPRA+

• 自動(dòng)化技術(shù)

樣品自動(dòng)傳輸和交換

• 表面分析能力

高能量分辨/高靈敏度/高空間分辨

• 豐富的附件和聯(lián)用技術(shù)

團(tuán)簇離子源/ISS/催化反應(yīng)池/加熱制冷/UPS/AES/REELS等聯(lián)用技術(shù)

• 智能化軟件系統(tǒng)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能

05

電催化劑耐久性測(cè)試

l                      典型應(yīng)用案例

EPMA表征鉑碳催化劑

使用電子探針顯微分析儀（EPMA）觀察催化劑的形貌，通過(guò)背散射電子像觀察到Pt存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象并給出元素成分。

樣品處理：

使用導(dǎo)電膠帶黏附薄層催化劑粉末試樣，放入真空樣品室測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：

圖7是電子探針EPMA-1720二次電子像觀察鉑碳催化劑得到的微區(qū)形貌，放大倍數(shù)為六千倍，顆粒尺寸小于100nm。圖8為背散射電子像，可以看出襯度不同，這是較大原子序數(shù)的元素團(tuán)聚所致。相關(guān)研究證明，鉑催化劑降解的最主要機(jī)理是鉑納米顆粒的團(tuán)聚和生長(zhǎng)。因此使用EPMA背散射電子像直接觀察納米Pt是否有團(tuán)聚，對(duì)鉑碳催化劑的質(zhì)量控制和失效分析具有重要意義。

對(duì)紅色圈著的白亮團(tuán)聚部分進(jìn)行微區(qū)定性定量分析，結(jié)果見(jiàn)圖9，可看到明顯的元素Pt、C特征峰和少量O元素。

圖7 二次電子像觀察形貌6000X    圖8 背散射電子像6000X（紅圈為元素分析位置）

圖9 EPMA元素分析譜圖和結(jié)果

電子探針顯微分析儀EPMA-8050G

• 搭載高亮度肖特基發(fā)射體

• 空間分辨率

• 高靈敏度、高分辨率型波譜儀

• 全部分析操作簡(jiǎn)單易懂

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