Charakterizace a analytické využití pyridinoporfyrazinátu kobaltu jako neplatinového mediátoru v elektrokatalýze vodíku

Abstract

Práce se zabývá elektrokatalytickými vlastnostmi pyridinoporfyrazinátu kobaltu (CoTmtppa) jako neplatinového mediátoru v reakcích vylučování a oxidace vodíku s možností využití ve vodíkové energetice a v potenciometrické detekci vodíku. Bylo zjištěno, že odlišný mechanismus interakce CoTmtppa s různými elektrodovými substráty, vysoce orientovaným pyrolytickým grafitem (HOPG) a anelovaným zlatem (Au(111)), ovlivňuje jeho elektrokatalytické chování v reakcích vodíku. Řídícím dějem se ukázala být tvorba komplexu hydridového typu s vazbou na kobalt. V případě vylučování vodíku bylo maximum elektrokatalytické aktivity mediátoru dosaženo při pH = 11,0, kdy HOPG/CoTmtppa vykazovala snížení přepětí o 300 mV a téměř 60-násobné zvýšení proudových hustot ve srovnání s HOPG. Elektrokatalytická aktivita Au(111)/CoTmtppa vedla k dalšímu snížení přepětí vylučování vodíku o 175 mV ve srovnání s HOPG/CoTmtppa. Průběh voltametrického měření elektrochemické oxidace vodíku závisel na zdroji vodíku, který byl elektrochemicky generovaný nebo molekulární z tlakové lahve. V případě elektrochemicky generovaného vodíku bylo maximum aktivity na HOPG/CoTmtppa dosaženo při pH = 2,1 a na Au(111)/CoTmtppa bylo pozorováno další navýšení proudové hustoty o 50 % oproti HOPG/CoTmtppa při pH = 4,3. Při oxidaci vodíku z externího...

This work reports on the cobalt pyridinoporphyrazinate (CoTmtppa) as a platinum-group metal-free catalyst for hydrogen evolution and oxidation reactions with the possibility of use in hydrogen energy and hydrogen potentiometric sensing. A different interaction of CoTmtppa with various electrode substrates, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) and annealed gold (Au(111)), affects its electrocatalytic behaviour in hydrogen reactions. The formation of a hydride-type complex with the bonding of hydrogen atoms to cobalt centre is supposed to be the rate-determining step. In the case of hydrogen evolution, the maximum catalytic activity of mediator was reached at pH = 11,0, when the HOPG/CoTmtppa showed overpotential decrease by 300 mV and an almost 60-fold increase of current densities compared to HOPG. The electrocatalytic activity of Au(111)/CoTmtppa resulted in a further decrease of overpotential by 175 mV in comparison with HOPG/Co(I)Tmtppa. The electrochemical oxidation of hydrogen was found to depend on hydrogen source which was electrochemically generated on-site or molecular hydrogen supplied from an external source. In the case of electrochemically generated hydrogen, the maximum activity of HOPG/CoTmtppa was reached at pH = 2.1 and an additional it was observed 50 % increase in current...