71
Metode i metodologije u elektrohemiji Igor Pašti

Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

  • Upload
    docong

  • View
    233

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Metode i metodologije uelektrohemiji

Metode i metodologije uelektrohemiji

Igor Pašti

Page 2: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemija

• Grana fizičke hemije koja izučava procese u uslovljene ilipraćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja ukondenzovanim sistemima.

• U elektrohemijskim sistemima UKUPNA hemijska reakcija seodigrava na faznoj granici elektronski/jonski provodnik.

• Hemijska reakcija koja se odigrava u elektrohemijskomreakcionom sistemu ima iste termodinamičke funkcije kao i uhemijskom reakcionom sistemu.

• Grana fizičke hemije koja izučava procese u uslovljene ilipraćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja ukondenzovanim sistemima.

• U elektrohemijskim sistemima UKUPNA hemijska reakcija seodigrava na faznoj granici elektronski/jonski provodnik.

• Hemijska reakcija koja se odigrava u elektrohemijskomreakcionom sistemu ima iste termodinamičke funkcije kao i uhemijskom reakcionom sistemu.

Page 3: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Podela elektrohemije

• Elektrohemijska termodinamika

• Elektrohemijska kinetika

• Elektroanalitička hemija

• Primenjena elektrohemija

• Spektroelektrohemija

• Fotoelektrohemija

• Bioelektrohemija

• Elektrohemijska termodinamika

• Elektrohemijska kinetika

• Elektroanalitička hemija

• Primenjena elektrohemija

• Spektroelektrohemija

• Fotoelektrohemija

• Bioelektrohemija

Page 4: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Podela elektrohemije

Page 5: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

Page 6: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

Page 7: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

O1+R2 O2 + R1

R2

O2R1

O1e-

ΔG, ΔH, ΔS

R2

O2

e-

O1

R1

e-

+-

Page 8: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

O1+R2 O2 + R1

R2

e-

O1

e-

e-

A

V

O2

e-

R1

e-

+-Anodna reakcija - oksidacija Katodna reakcija - redukcija

Zaključak 1 – kao posledica prostorne razdvojenosti odigravanje oksidacije i redukcijejavlja se razlika potencijala između metalnih izvoda elekrohemijske ćelije. Kada je kolootvoreno meri se elektromotorna sila (EMS) galvanskog elementa.

Page 9: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

O1+R2 O2 + R1

R2 O1

- +e-

A

V

U

U < EMS – reakcija teče spontano

U = EMS – reakcija u stanju elektrohemijske ravnoteže

R2

O2

e-

O1

R1

e-

+-Anodna reakcija - oksidacija Katodna reakcija - redukcija

Page 10: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

O1+R2

R2 O1

- +e-

A

V

U

U > EMS – reakcija teče u smeru suprotnomspontanom odigravanju

O2 + R1

R2

O2

e-

O1

R1

e-

+-Anodna reakcija - oksidacija Katodna reakcija - redukcija

Zaključak 2 – možemo kontrolisati smer i brzinu odigravanja (elektro)hemijske reakcije

Page 11: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

R2

O2

e-

O1

R1

e-

+- +-

Elektrohemijska ćelija je uvek propusna za naizmeničnu struju (ako Rs nije beskonačan)

Page 12: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Naizmenična struja ne izaziva hemijske promene u elektrohemijskoj ćeliji,izaziva punjenje DES-a

• Ako propuštamo jednosmernu električnu struju dolazi do hemijskihpromena, a njihova stehiometrija je opisana Faradejevim zakonima.

• 1. Faradejev zakon:

• 2. Faradejev zakon

• Naizmenična struja ne izaziva hemijske promene u elektrohemijskoj ćeliji,izaziva punjenje DES-a

• Ako propuštamo jednosmernu električnu struju dolazi do hemijskihpromena, a njihova stehiometrija je opisana Faradejevim zakonima.

• 1. Faradejev zakon:

• 2. Faradejev zakon

Qkm

constMm

e

Page 13: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem u ravnoteži

0G

nFGG

0j

nFG

ii

oia

nFRT

nFG ln Zaključak 3 – EMS direktno

povezana sa prirodom iaktivnostima učesnikaelektrohemijske reakcije

Page 14: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem u ravnoteži

ii

o

ii

oii a

nFRTa

nFRT

nFG lnln

O1+R2 O2 + R1

21

12lnRO

ROo

aaaa

nFRT

21

12lnRO

ROo

aaaa

nFRT

2

2

1

12/21/1 lnln

R

O

R

OoRO

oRO a

anFRT

aa

nFRTEE

2/21/1 RORO EE R

OoRORO a

anFRTEE ln// Nernstova jednačina

Page 15: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem u ravnoteži

R

OoRORO a

anFRTEE ln//

Nernstova jednačina

Elektrodni potencijal neodređen do na konstantu

Vodonična elektroda

Page 16: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem u ravnoteži

Page 17: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem van ravnoteže

• Kombinovanjem 1. i 2. Faradejevog zakona sledi:

zFQMm

zFtIMm

Po jedinici površine

zFj

zFI

AdtdnA

11

zFtIMm

zFtIn

zFIv

dtdn

zFj

zFI

AdtdnA

11

EfCkvj i

Zaključak 4 – struja koja protiče direktnopovezana sa koncentracijama učesnikaelektrohemijske reakcije

Page 18: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem van ravnoteže

U (nametnut spoljašnjim izvorom napona)

1/1 ROE

2/2 ROE

Pošto su anoda i katoda serijskielementi kola struja kroz anodu moravbit jednaka po apsolutnoj vrednostistruji na katodi)

Page 19: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem van ravnoteže

EMSφs U=EMS+Ir+ηa+|ηc|

Page 20: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem van ravnoteže

U=EMS+Ir+ηa+|ηc|

1/1 ROE

2/2 ROE

Opažanje 2: U dvoelektrodnom sistemu ne možemotačno da merimo zavisnost I-EObično nas zanima I-E kriva jedne elektrode

Opažanje 1: Ako struja protiče kroz sistem nije mogućeprecizno merenje EMS

Page 21: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrohemijski sistem van ravnoteže

ΔU=Ir+ηa

Ir

1/1 ROE

2/2 ROE

Ir

Opažanje 3: Tro-elektrodnisistem treba da se koristi zaelektrokinetička merenja

Page 22: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Troelektrodni sistem

Page 23: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Dakle #1

Zaključak 1 – kao posledica prostorne razdvojenosti odigravanje oksidacije i redukcijejavlja se razlika potencijala između metalnih izvoda elekrohemijske ćelije. Kada je kolootvoreno meri se elektromotorna sila (EMS) galvanskog elementa.

Zaključak 2 – možemo kontrolisati smer i brzinu odigravanja (elektro)hemijske reakcijeZaključak 2 – možemo kontrolisati smer i brzinu odigravanja (elektro)hemijske reakcije

Zaključak 3 – EMS direktno povezana sa prirodom i aktivnostima učesnikaelektrohemijske reakcije

Zaključak 4 – struja koja protiče direktno povezana sa koncentracijama učesnikaelektrohemijske reakcije

Page 24: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Dakle #2Merenje potencijala i struje u elektrohemijskim sistemima omogućavakvalitatitvnu i kvantitativnu analizu sistema

Opažanje 2: U dvoelektrodnom sistemu ne možemo tačno da merimo zavisnost I-EObično nas zanima I-E kriva jedne elektrode

Opažanje 1: Ako struja protiče kroz sistem nije moguće precizno merenje EMS

Opažanje 2: U dvoelektrodnom sistemu ne možemo tačno da merimo zavisnost I-EObično nas zanima I-E kriva jedne elektrode

Opažanje 3: Tro-elektrodni sistem treba da se koristi za elektrokinetička merenja

ISTRAŽIVANJA U ELEKTROHEMIJI ZAHTEVAJU POZNAVANJE OSNOVAELEKTROHEMIJE, SISTEMA KOJI SE ISPITUJE, POGODNU KONSTRUKCIJU

ELEKTROHEMIJSKE ĆELIJE (PRIKLADNU ŽELJENOJ METODI KOJA SE PRIMENJUJE) IINSTRUMENTACIJU KOJA OMOGUĆAVA PRECIZNO MERENJE POTENCIJALA ILI

STRUJE

Page 25: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

Page 26: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

POTENCIOMETAR GALVANOSTAT POTENCIOSTAT

Dvoelektrodni sistem,Merenje potencijalau uslovimabezstrujnosti

Tro-elektrodni sistem,Kontrola struje ili potencijala (radna elektroda)

Page 27: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja
Page 28: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Potenciometrijska merenja (j=0)

Potencijal indikatorskeelektrode mora da zavisi odaktivnosti (koncentracijeanalita)Neophodno precizno merenjeEMS (kompenzacionametoda)

Potencijal indikatorskeelektrode mora da zavisi odaktivnosti (koncentracijeanalita)Neophodno precizno merenjeEMS (kompenzacionametoda)

R

OoRORO a

anFRTEE ln//

R

Oii a

anFRTEE ln'

Page 29: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Potenciometrijska merenja

Referentne elektrodeReverzibilna vodoničnaAg/AgClHg/Hg2Cl2Hg/Hg2SO4Hg/HgO...

Indikatorske (senzorne)elektrodeMetalne indikatorske elektrode(1.vrste, 2. vrste, redoks elektrode)Membranske, jon-selektivneelektrode (staklene i čvrste)

Page 30: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Jon-selektivne elektrodeType Electrode structure Typical ions measured

Glass electrode Response membrane consists of a glassthin membrane.

Na+, H

+

Solid membraneelectrode

Response membrane is composed of asingle crystal of—or pressure-moldedpowder consisting primarily of—poorly-soluble metallic salt.

Cl-, Br

-, I

-, SCN

-, CN

-, S

2-,

Ag+, Pb

2+, Cu

2+, Cd

2+

F-electrodes have a response

membrane composed of a single crystalof lanthanum fluoride LaF3, and have aneutral internal solution containing F

-

ions.

F-

F-electrodes have a response

membrane composed of a single crystalof lanthanum fluoride LaF3, and have aneutral internal solution containing F

-

ions.

Liquidmembraneelectrode

Electrode has a response membranewhich consists of a porous membraneor macromolecular material that acts asa support for polar organic solventcontaining dissolved liquid ionic-exchanger. Also known as a plasticsolidification membrane electrode.

NO3-, Ca

2+, K

+

Diaphragmelectrode

Electrode is composed of a stem intowhich an internal pH glass andreference electrode have beeninserted, and is filled internally withliquid and coated with a diaphragm.

NH3

Mogu se javiti interferencije (značajne), neophodna kalibracija elektrode

Page 31: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Jon-selektivne elektrode

Page 32: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Dinamičke metode

Stujni odgovor elektrode na polarizaciju zavisi od:

1. Prirode elektrodnog materijala

2. Sastava elektrolita

3. Spoljnih faktora (npr. mešanje elektrolita)

Nepolarizabilna (reverzibilna) Polarizabilna (ireverzibilna)

ROE /

Idealnopolarizabilna

Page 33: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrolit

PtPt

U I

~1,5 V

PtPt

0,1 M HClO4U

H2

O2

Page 34: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrolit

O2

H2

Page 35: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrolit

Priroda elektrolita i elektrodnog materijala određuje elektrohemijski prozor ukome može da se radi

Page 36: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Dinamičke metode

Brzina prenosa elektronafunkcija potencijala

Prenos mase1. Difuzija2. Migracija3. Konvekcija

Page 37: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Metode kontrolisanog potencijalaE = const

Koncentracioni gradijenti se šire tokom vremena i dostižu stacionarnu vrednost(zbog prirodne konvekcije)Struja opada sa vremenom, HRONOAMPEROMETRIJA

Page 38: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Metode kontrolisanog potencijalaE = const

Kotrelova jednačina

UKUPNA STRUJA JE SUMAFARADEJSKE I KAPACITIVNESTRUJE PUNJENJA DES-a

Page 39: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Metode kontrolisanog potencijalaE = const

Hronokulometrijska analiza

Page 40: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Voltametrija (E≠ const)Brzinaprenosae

ROE /GradijentC

E

Voltametrija salinearnom promenompotencijala

GradijentC

ROE / E (t)

ROE / E

j

Ciklična voltametrija,diferencijalna pulsnavoltametrija ...

Page 41: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Voltametrija (E≠ const)

j

jp

ROE /EEp

Oblik i položaj voltamograma zavisi od prirode elektrodnog procesa

Reverzibilan elektrodni proces

Ireverzibilan elektrodni proces

Page 42: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Forsirana konvekcija

Hidrodinamička voltametrija

21

61

31

61.1

D

CDFnjd

21

61

32

62.0

Page 43: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Forsirana konvekcija

Kinetički region(prenos e)

difuzioni region(prenos mase)

Čemu služi mešanje?

Page 44: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

“Stripping” voltametrija

Anodna, katodna i adsorptivna striping-voltametrijaObično se radi na Hg elektrodi (kap ili film), Au, C, itd.Eksperiment se sastoji od nekoliko koraka

Moguće je analizirati rastvorekoncentracije do 10-11 M

Moguće je analizirati smeše

Srazmerankoncentraciji

Page 45: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

“Stripping” voltametrija

Deaeration step(bubbling N2)

t = 120 s

Accumulation(adsorption ) step

E = -200 mVt = 30 s

Rest step t = 10 s

Reduction (stripping)step

technique – SWVE = from -200 to -1400 mVstep duration = 0.1 sstep amplitude = 5 mVpulse amplitude = 25 mV

Reduction (stripping)step

technique – SWVE = from -200 to -1400 mVstep duration = 0.1 sstep amplitude = 5 mVpulse amplitude = 25 mV

Stirring rate 800 rpm

SVAKI KORAK JE OD ODLUČUJUĆEVAŽNOSTI!!!

Page 46: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

“Stripping” voltametrija

RASTVARAJU SE U Hg GRADE SOLI SA Hg ADSORBUJU SE NA Hg

Page 47: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Nije sve u metodi, ima nešto i umaterijalu...

Principijelno, sve dinamičke metode baziraju se na elektrokatalizi

Page 48: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja
Page 49: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama (subjektivan)

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama (subjektivan)

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka

Page 50: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Elektrokatalitičke reakcije u konverziji energije

• Evolucija/oksidacija vodonika Reakcija redukcije kiseonika

Brzinaevolucije/oksidacijevodonika se kreće u

okviru nekoliko redovaveličine u zavisnosti od

prirode elektrodnogmaterijala na kom se

reakcija odgravaReakcija redukcije kiseonika jeizuzetno spora elektrokatalitčka

reakcija na svim poznatimmaterijalima.

Page 51: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Eksperimentalne metode u elektrokatalizi –Procena elektrokatalitičke aktivnosti elektrokatalizatora

Evolucija/oksidacija vodonika Reakcija redukcije kiseonika

Marković et al. JPCB 101 (1997) 5405. Marković et al. JPC 100 (1995) 3411.

Page 52: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Ukupna jačina struje (~brzina reakcije) koja protiče kroz faznu granicumetal/elektrolit zavisi od kinetike elektrodne reakcije i realne površineelektrode:

I = j A Sa praktičnog aspekta, uzrok povećanja brzine reakcije nije bitan Elektrokataliza je zainteresovana za ubrzanje kinetike Kako kinetika zavisi od stanja površine ključnu ulogu u elektrokatalizi imaju

tehnike površinske karakterizacije, kako in situ, tako i u uslovima visokogvakuuma:

1. XPS, AES, IRRAS2. in situ SXS, LEED3. LEIS4. STM, AFM, HRTEM, ...

Podaci o: hemijskom sastavu površine, lokalnoj geometriji, interakcijireaktivnih vrsta sa površinom, ...

Eksperimentalne metode u elektrokatalizi –Fizičko-hemijska karakterizacija elektrokatalizatora

Ukupna jačina struje (~brzina reakcije) koja protiče kroz faznu granicumetal/elektrolit zavisi od kinetike elektrodne reakcije i realne površineelektrode:

I = j A Sa praktičnog aspekta, uzrok povećanja brzine reakcije nije bitan Elektrokataliza je zainteresovana za ubrzanje kinetike Kako kinetika zavisi od stanja površine ključnu ulogu u elektrokatalizi imaju

tehnike površinske karakterizacije, kako in situ, tako i u uslovima visokogvakuuma:

1. XPS, AES, IRRAS2. in situ SXS, LEED3. LEIS4. STM, AFM, HRTEM, ...

Podaci o: hemijskom sastavu površine, lokalnoj geometriji, interakcijireaktivnih vrsta sa površinom, ...

Page 53: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijski vs.Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka o površinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment (subjektivan)

• Umesto zaključka

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijski vs.Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka o površinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment (subjektivan)

• Umesto zaključka

Page 54: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Teorijske metode u elektrokatalizi

• Metode bazirane natalasnoj funkciji

• Teorija funkcionala gustine(DFT)

• DFT je manje zahtevan –pruža mogućnost vrlotačnog izračunavanja nizavažnih karakteristikamaterijala koje se mogupovezati saelektrokatalitičkomaktivnošću

• Teorijske studije uelektrokatalizi po pravilubazirane na DFT

• Metode bazirane natalasnoj funkciji

• Teorija funkcionala gustine(DFT)

• DFT je manje zahtevan –pruža mogućnost vrlotačnog izračunavanja nizavažnih karakteristikamaterijala koje se mogupovezati saelektrokatalitičkomaktivnošću

• Teorijske studije uelektrokatalizi po pravilubazirane na DFT Nilsson A, et al. Catal Lett 100 (2005) 111.

Page 55: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Mogućnosti DFT?

• Uprkos tome, DFT omogućava izučavanje površinskih procesa

1. Brže nego eksperimentalno

2. Na željenom nivou prostorne rezolucije

3. Bez mogućnosti da se sistem kontaminira

“Density functional theory (DFT) by itself isinsufficient to model electrochemical reactions,because the interface is too large, and there isno satisfactory way to incorporate the electrodepotential. “

Santoset al.Phys. Chem. Chem. Phys.,2012, 14, 11224–11233

• Uprkos tome, DFT omogućava izučavanje površinskih procesa

1. Brže nego eksperimentalno

2. Na željenom nivou prostorne rezolucije

3. Bez mogućnosti da se sistem kontaminira

U ovom smislu teorijski proračuni nikada neće zameniti eksperiment,ova dva pristupa su komplementarna i čvrsto spregnuta u oblastielektrokatalize (ili uopšteno nauci o materijalima)

Page 56: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Mogućnosti DFT?

• DFT izračunavanja imaju mogućnost da pruže opis mnogihpovršinskih reakcija sa tačnošću bliskoj eksperimentalnoj.

• Informacije o:

1. Elektronskoj strukturi

2. Stabilnosti

3. Interkaciji reaktivnih vrsta i intermedijera sa površinom ...

• DFT ima moć objašnjenja i predviđanja elektrokatalitičke aktivnosti

• Ispunjava jedan od glavnih ciljeva elektrokatalize: dizajn matarijalana atomskom nivou koji će katalisati datu elektrodnu reakciju podunapred određenim uslovima. Ovaj zadatak moguće je izvršitikorišćenje koncepta katalitičkog deskriptora.

• DFT izračunavanja imaju mogućnost da pruže opis mnogihpovršinskih reakcija sa tačnošću bliskoj eksperimentalnoj.

• Informacije o:

1. Elektronskoj strukturi

2. Stabilnosti

3. Interkaciji reaktivnih vrsta i intermedijera sa površinom ...

• DFT ima moć objašnjenja i predviđanja elektrokatalitičke aktivnosti

• Ispunjava jedan od glavnih ciljeva elektrokatalize: dizajn matarijalana atomskom nivou koji će katalisati datu elektrodnu reakciju podunapred određenim uslovima. Ovaj zadatak moguće je izvršitikorišćenje koncepta katalitičkog deskriptora.

Page 57: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Veza elektrokatalitičke aktivnosti i fizičkih/hemijskihkarakteristika elektrokatalizatora

Granica metal/elektrolit je komplikovan višeparametarski sistem, ali još prepola veka javila se ideja da se elektrokatalitička aktivnost poveže safizičkim/hemijskim karakteristikama elektrodnog materijala.

Ideja postojanja (elektro)katalitičkog deskriptora je ključna u razvoju novihelektrodnih materijala.

Deskriptor – fundamentalni parametar koji se može jednoznačno povezatisa elektrokatalitičkom aktivnošću

Trasatti, J. Electroanal. Chem., 39 (1972)163.

Granica metal/elektrolit je komplikovan višeparametarski sistem, ali još prepola veka javila se ideja da se elektrokatalitička aktivnost poveže safizičkim/hemijskim karakteristikama elektrodnog materijala.

Ideja postojanja (elektro)katalitičkog deskriptora je ključna u razvoju novihelektrodnih materijala.

Deskriptor – fundamentalni parametar koji se može jednoznačno povezatisa elektrokatalitičkom aktivnošću

Page 58: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Drugi prostrorni i vremenski domeni

• KMC u elektrohemiji

Page 59: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Input od eksperimenta (dobar)!

• Učiniti teorijski pristup transparentan za eksperimentatore!

• Simplifikovati model – obično je granica materijal|vakuumdovoljna

• Minimizovati dimenzionalnost podataka (problema) – koristitideskriptore gde god je moguće

• Gde god je moguće analizirati trendove a ne izolovaneslučajeve

Komunikacija između teorije i eksperimenta(u mom “savršenom svetu”)

• Input od eksperimenta (dobar)!

• Učiniti teorijski pristup transparentan za eksperimentatore!

• Simplifikovati model – obično je granica materijal|vakuumdovoljna

• Minimizovati dimenzionalnost podataka (problema) – koristitideskriptore gde god je moguće

• Gde god je moguće analizirati trendove a ne izolovaneslučajeve

Page 60: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka (subjektivno)

• Specifičnosti elektrohemijskih sistema (hemijskivs. Elektrohemijski sistem)

• Pregled elektrohemijskih metoda

• Osvrt na vezu elektrohemija ↔ nauka opovršinama

• Osvrt na vezu teorija ↔ eksperiment

• Umesto zaključka (subjektivno)

Page 61: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Umesto zaključka - primer

praksa

proizvođač

Page 62: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Umesto zaključka - primer

Voltametrijsko određivanje H+ jona H+ + e ½ H2

E vs. RHE

Pt

W

Page 63: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Umesto zaključka - primer

Voltametrijsko određivanje H+ jona H+ + e ½ H2

Linearna voltametrija Voltametrija na rotirajućem disku

Page 64: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Umesto zaključka - primer

Šta je sa OH-?

Limiting diffusion current(jL) vs. c(OH−) relationshipobtained upon injection ofsmall portions of1 mol dm−3 H2SO4 in0.1 mol dm−3KOH solution.Inset gives recordedchronoamperometric curve(E = 1.5 V vs. SCE, rotationrate 1800 rpm), verticalarrow shows the moment ofanalite injection.

HIDRODINAMIČKA AMPEROMETRIJA

Limiting diffusion current(jL) vs. c(OH−) relationshipobtained upon injection ofsmall portions of1 mol dm−3 H2SO4 in0.1 mol dm−3KOH solution.Inset gives recordedchronoamperometric curve(E = 1.5 V vs. SCE, rotationrate 1800 rpm), verticalarrow shows the moment ofanalite injection.

Page 65: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Umesto zaključka - primer

A KAD NIJE NI JAKO KISELO NI JAKO BAZNO? POTENCIOMETRIJA

Electrode Theslope/mVper pH unit

R2 Measured pH (pH = 7) Hysteresiswidth⁎/mV

Electrode Theslope/mVper pH unit

R2 Measured pH (pH = 7) Hysteresiswidth⁎/mVSensor pH Meter

Type A −42.7 ± 3.0 0.98 6.78 7.00 7.0

Type B −49.5 ± 2.3 0.99 6.88 2.0

Type C −40.0 ± 1.9 0.99 6.87 3.3

Type D −27.1 ± 3.9 0.90 5.71 23

Loop: 7 → 10 → 7 → 4 → 7

Page 66: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Computational high-throughput screening of electrocatalyticmaterials for hydrogen evolution(Greeley et al. Nat. Mater.,

2006, 5, 909)

teorija

Pretraga bazirana na konceptu katalitičkog deskriptora za izdvajanje vodonikaKandidati – površinske legure različitog hemijskog sastavaZAHTEV – visoka aktivnost, stabilnost pod uslovima izdvajanja vodonika, odsustvosegregacionih procesa

eksperiment

teorija

Page 67: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Screening of electrocatalytic materials for hydrogenevolution (Björketun et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 2010,

12, 10536–10541)

Periodni sistem

Nema oksidacije ispod0 V vs. SVE

Učestalost pojavljivanja u prirodiCu, Ge, Ag, W, ... Substrati

Pt, Pd, Rh, Re, Ir, ... U tragovima

Elektronskastruktura

Segregacioni trendovi

Računanjedeskriptora

Stabilnostpovršine

Kadidati – AKTIVNI iSTABILNI

Page 68: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Novi katalizatori za HER – MML/WC

Deskriptor – jačina veze površina-vodonikPredviđene aktivnosti

Predviđene aktivnosti

Stabilnost u elektrohem. sredini

International Journal of Hydrogen Energy 38 (2013) 16071 – 16079.

Page 69: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Novi materijali za ORR – Pt-In

Prve indicije o pogodnom efektu ugradnje In uPt na katalitičku aktivnost za redukciju kiseonika:I. Pašti, S. Mentus, Mat. Chem. Phys. 116 (2009)94.

Cena Pt: ~ 50 US$ po gramuCena In: 0,9 US$ po gramu

Electrochimica Acta 114 (2013) 706 - 712

Page 70: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Novi materijali za ORR – Pt-In

Pt3In

Pt-In čvrsti rastvor

Pt3In

Potvrđena ugradnja In u strukturu PtDobijena željena stehiometrijaDve faze u uzorku – prema proračunima obe aktivnije od Pt

Electrochimica Acta 114 (2013) 706 - 712

Page 71: Metode i metodologije u elektrohemiji - ffh.bg.ac.rs · Elektrohemija • Grana fizičk e hemije koja izuča va procese u uslovljene ili praćene protokom ili razdvajanjem naelektrisanja

Novi materijali za ORR

Teorija

Eksperiment

Electrochimica Acta 114 (2013) 706 - 712

Cena utrošenih hemikalijaza eksperimente: 1 EUR