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      電化學家的質譜分析

      發布時間:2021-08-25

        電化學與氧化還原反應的范圍有關,氧化還原反應導致反應物分子之間的電子轉移。這是一項關于電和可識別的化學變化之間關系的研究,最早是在1780年觀察到的。這種關系的化學方面在很大程度上被忽略了,直到邁克爾法拉第建立了電解的基本定律,并為現代伏打技術奠定了基礎。然而,許多氧化還原反應的化學方面仍然不清楚,尤其是電極和電解質之間的特定界面行為。


        1971年,布魯肯斯坦和加德首次強調質譜是電化學氣體分析的重要工具。他們探索了使用多孔電極和電子碰撞電離器來實時測定揮發性電極反應產物。電極的一側與電解液接觸,另一側與質譜儀的高真空室接觸,有助于快速識別典型電化學反應中產生的產物。電極表面的這種原位溶解氣體和廢氣分析提供了對原電池或半原電池結構中發生的反應的更好理解。微分電化學質譜(DEMS)是一個復雜的工具,旨在改善這一開創性的方法。這項技術已經得到了改進?,F在,通過將質譜儀與納米多孔氣體擴散電極集成,我們可以提供細胞化學的定量見解,從而獲得與電極法拉第電流成比例的質量離子電流。Hiden  Analytical制造了幾種不同的質譜系統,專門用于測量和研究各種電化學應用。因此,它成為研究人員獲得洞察力和擴展知識的有力工具。Hiden  Analytical制造了幾種不同的質譜系統,專門用于測量和研究各種電化學應用。因此,它成為研究人員獲得洞察力和擴展知識的有力工具。Hiden  Analytical制造了幾種不同的質譜系統,專門用于測量和研究各種電化學應用。因此,它成為研究人員獲得洞察力和擴展知識的有力工具。


        本文簡要概述了質譜在電化學研究中的應用,并介紹了質譜在電化學科學家中的主要應用。


        差分電化學質譜-工作原理

        質譜儀根據電離物質的質荷比來分離它們。大多數質譜技術成功的關鍵是在最佳電離壓力下以氣體或蒸汽的形式呈現感興趣的物種。


        操作依賴于氣體分子轉化為帶電粒子,通常是正離子。這是通過熱燈絲產生的電子束的電子轟擊來實現的。這個過程叫做電子碰撞電離。離子通過四極質量過濾器,按質荷比分離后,由探測器(通常是法拉第杯和二次電子倍增器雙探測器)檢測。


        檢測到的離子電流與被測物質的分壓成正比。電化學科學家感興趣的物質溶解在電解液中?!癉EMS”質譜儀中液體電解質與質譜儀的界面為納米多孔膜。納米多孔膜允許電解質中產生的溶解氣體和蒸汽滲透到質譜儀的離子源區域,同時保持屏障以防止液體進入。

        高性能真空泵保持質譜儀運行所需的高真空。


        OEMS在線電化學質譜;

        在納米多孔膜界面不實用的應用中,可以通過毛細管采樣管對電解液廢氣進行分析。在廢氣實驗中,毛細管所需的樣品流速與實驗中產生的廢氣量相匹配是非常重要的。在某些情況下,這可能低至每分鐘10微升。專業的采樣解決方案,通過超低流速毛細管入口提供具有良好響應時間的極低流速采樣,可提供具有快速響應時間的粘性流采樣。


        質譜在電化學中的應用


        二氧化碳減排

        技術被用來從二氧化碳中生產燃料。這是為了從二氧化碳中捕獲碳,否則它可能會進入大氣并導致全球變暖。這項研究技術來源于典型電化學半電池的氧化還原反應。DEMS是一種理想的定量氣體測量技術,因為它具有快速響應、低檢測限和線性,所有這些都是實時的。Hiden儀器以其穩定性和靈敏度而聞名??茖W家們正在尋找石墨烯和碳納米管等新材料來催化這一反應,從而降低反應所需的能量,提高效率。


        二氧化碳消耗


        水分解-電解

        技術利用電流來驅動化學反應。一種常見的方法是利用水電解產生氫氣和氧氣。它正被研究作為一種為靜態或車輛燃料電池輸送少量氫氣的方法。

        下圖顯示了氫氣的數據(為清楚起見,未顯示其他氣體)。析氫的變化與電解效率有關。下面是氫響應和電勢對電流和時間的曲線圖。


        氫氣通常是通過大氣冷凝產生的,這是在大型工廠中進行的,以提高效率。然而,這將生產成本轉移到分銷。公路車輛運輸效率低,成本高,因為集裝箱需要高度加壓,所以墻壁又厚又重。泵送氫氣的效率也很低,因為它是一種非常輕的氣體,這降低了泵沿管道移動的效率。為實際使用分配足夠的數量變得昂貴。使用氫氣作為燃料有很強的環境效益,因為廢物是水蒸氣。其他燃料,如甲醇(也被認為是燃料電池),會產生氣態產物、水蒸氣和二氧化碳(一種溫室氣體)的混合物。電解站可以現場生產氫氣用于制造工廠,也可以利用氫氣換料站直接向燃料電池汽車輸送氫氣。氫燃料的這種局部分布減少了氫的安全問題和運輸成本。電解研究旨在提高能源效率,并使這種制氫在經濟上可行,這與目前低效的氫氣運輸相比具有關鍵優勢。電催化劑的研究


        DEMS可以用來確定各種氧化和還原反應的動力學。了解這些因素和反應對于設計和改進電催化劑非常重要。此外,測量了它們的效率和對各種原料來源的反應。

        質譜系統可以簡化軟電離法對多組分氣體和蒸汽混合物復雜裂解模式的分析。這種方法提供用戶定義的電離,以促進質量分析和物種識別和鑒定


        潛在和滯后行為

        在循環伏安法實驗中,通過跟蹤反應中間體和產物,如氧氣、O2、氫氣、H2、過氧化物和H2O2,可以得到電位和滯后行為。


        鋰離子電池的發展

        鋰離子電池因其重量輕、可充電和高功率密度而被廣泛使用。當三位研究人員因鋰離子電池技術的關鍵發展而分享諾貝爾化學獎時,這些技術優勢得到了認可。有源R&D繼續進一步提高功率密度,減少充電退化和控制溫度(這將降低性能)。


        制造的鋰離子電池有很大一部分用于汽車工業。電動汽車和混合動力汽車有助于減少全球排放,同時仍能維持交通基礎設施。


        燃料電池研究

        固體氧化物燃料電池在高溫下運行。為了提高效率,可以使用催化化合物來降低操作溫度并提高安全性。Hiden質譜儀可用于跟蹤反應動力學的氣體成分,并可讀取熱電偶溫度以納入數據顯示。這項研究由佐治亞理工學院進行,使用HPR-20研究溫度對異辛烷重整作為燃料來源的影響,因為已經有了分配基礎設施。


        陰極研究

        用于電極的材料對電池的性能有關鍵影響。在電池的使用過程中,電子應該在放電過程中從負極(陽極)流向正極(陰極)。對于可充電電池,它們也需要反向流動。因此,正負極材料的特性會影響電池。陽極需要容易失去電子,陰極需要容易接受電子。人們意識到鋰是一種容易失去電子的元素,可以用在兩個電極上制成可充電電池。


        研究人員古德諾、惠廷翰和吉野因在電極材料方面的工作獲得了2019年諾貝爾化學獎。他們在鋰離子電池開發方面的工作表明,電極材料的作用對于實現安全和強大的電池非常重要,這使得今天市場上出現了許多便攜式電子設備。最初使用的是金屬鋰,但它與空氣反應,可能會在設備中爆炸。鋰被鋰離子取代,以金屬硫化物結構支撐,電池不再爆炸。通過將硫化物材料轉化為金屬氧化物,容量增加了一倍。負極材料改為碳基材料,鋰離子儲存在結構中(嵌入),避免與電極材料反應。由于放電和充電循環期間的穩定性,這使得電池具有更長的使用壽命。這些材料的發展極大地提高了泛在產品的效率,尤其是便攜式電子產品。然而,材料化學的進一步改進是可能的,許多研究人員正在尋找用于傳輸離子和電子的電極和電解質材料,其可以在放電和充電循環期間提供更高的容量和更穩定的滯后。

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