A collector-generator cell for in-situ detection of electrochemically produced H?

用于原位檢測電化學產氫的收集器-發生器裝置

來源：Heliyon 10 (2024) e27009

Heliyon（Cell出版社旗下的開放獲取期刊）

摘要內容：

摘要描述了一種基于收集器-發生器（C-G）雙工作電極技術的電化學裝置，用于原位檢測電催化產生的氫氣（H?）。該裝置由兩個沉積鉑納米顆粒的氟摻雜氧化錫（Pt/FTO）電極組成，間距約1 mm。在發生器電極施加還原電位（-0.5 ~ -0.6 V vs. Ag/AgCl）產生H?，H?擴散至收集器電極后被氧化（0.4 ~ 0.5 V vs. Ag/AgCl），通過測量收集器的氧化電流定量H?生成量。裝置總法拉第效率穩定在70%，檢測限為45 μmol/L，靈敏度為1 mA/55 μmol·L?1。該方法為評估半導體薄膜負載的產氫催化劑性能提供了便捷手段。

研究目的：

開發一種原位、快速檢測電催化產氫的裝置，替代傳統氣相色譜和電化學氫氣傳感器，解決其樣品需求量大或需頻繁校準的問題，用于高效評估產氫催化劑性能。

研究思路：

裝置構建：用Pt/FTO電極組裝C-G雙電極系統（間距1 mm），置于H型電解池中。

工作機制：發生器電極還原H?生成H?，擴散至收集器電極氧化為H?，通過收集器電流定量H?。

性能優化：調控電極電位、電解質濃度（NaNO?）和緩沖液pH，評估裝置效率。

驗證與標定：結合法拉第定律計算H?摩爾量，并用氣相色譜和Unisense微傳感器驗證擴散損失及檢測限。

測量數據及研究意義（對應圖表）：

電流/電荷響應（圖2）：

圖2A：發生器和收集器的電流-時間曲線，顯示H?生成與氧化的動態過程（60 s達穩態）。

圖2B：電荷累積曲線，表明收集器電荷量低于發生器，證實H?擴散損失。

意義：驗證裝置工作穩定性，量化電荷轉移效率，為法拉第效率計算提供依據。

檢測限與靈敏度（圖3）：

圖3A：Unisense微傳感器測得的H?濃度變化（發生器電位-0.6 V時達313 μmol/L，收集器氧化后降至45 μmol/L）。

圖3B：對應電流響應（收集器電流從2.87 mA降至0.01 mA）。

意義：直接標定裝置檢測限（45 μmol/L）和靈敏度（1 mA/55 μmol·L?1），證明其適用于低濃度H?原位檢測。

總法拉第效率影響因素（圖4）：

圖4A：電解質濃度（0~1.0 M NaNO?）對效率的影響（低濃度時效率更高）。

圖4B：收集器電位（0.2~0.5 V）對效率的影響（0.4~0.5 V時效率達70%）。

意義：確定最佳操作參數（電解質≤0.5 M，收集器電位0.4~0.5 V），優化裝置實用性。

裝置穩定性：

15小時恒電位測試電流波動<0.01 mA，500次循環CV無顯著衰減。

意義：證實裝置長期可靠性，滿足連續檢測需求。

結論：

成功構建Pt/FTO雙電極C-G裝置，實現電催化產氫的原位檢測。

在優化條件（發生器-0.5~-0.6 V，收集器0.4~0.5 V）下，總法拉第效率達70%，檢測限45 μmol/L，靈敏度1 mA/55 μmol·L?1。

裝置穩定性高（>15 h），適用于半導體薄膜負載催化劑的產氫性能評估。

Unisense微傳感器數據的詳細研究意義：

通過丹麥Unisense H?-NP微傳感器（圖3A）實時監測C-G裝置隔室內的H?濃度變化：

檢測限標定：當收集器氧化電流降至0.01 mA時，對應H?濃度穩定在45 μmol/L，直接確定裝置檢測下限。

擴散動力學驗證：H?濃度從峰值313 μmol/L（生成階段）驟降至203 μmol/L（擴散至本體溶液），隨后收集器氧化使濃度進一步降至45 μmol/L，直觀反映H?在裝置內的擴散與消耗過程。

靈敏度關聯：收集器電流（2.87 mA→0.01 mA）與H?濃度變化的同步性（313→45 μmol/L）建立了電流信號與H?濃度的定量關系（1 mA對應55 μmol·L?1），為裝置定量分析提供原位校準依據。