The Crucial Role of Rotation Speed on the Determination of Tafel Slopes of Electrocatalysts in Rotating Disk Electrode Experiments
Felix Hiege, Luca Marie Sicking, Kannasoot Kanokkanchana, Paolo Cignoni, Victor Dudarev, Alfred Ludwig, Kristina Tschulik
Tafel-Steigungen werden in der Elektrokatalyse häufig verwendet, um die intrinsische Aktivität von Katalysatoren zu bewerten oder geschwindigkeitsbestimmende Schritte zu identifizieren. Daher haben wir eine eingehend studiert, wie eine Tafel-Analyse genau durchgeführt werden kann, die die Einschränkungen der Butler-Volmer-Theorie (BV-Theorie) erfüllt. Wir haben Rotierende Scheibenelektroden (RDE) verwendet, da diese in der Literatur häufig zum Einsatz kommen. Unsere Arbeit zeigt den entscheidenden Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die ermittelte Tafel-Steigung, die mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit abnimmt. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass potentiodynamische Experimente (z. B. zyklische Voltammetrie) keine ausreichenden stationären Bedingungen für die Extraktion kinetischer Parameter (z. B. Tafel-Steigung, Austauschstromdichte oder kinetische Geschwindigkeitskonstante) bieten. Daher empfehlen wir die Verwendung chronoamperometrischer Experimente bei der höchstmöglichen Rotationsgeschwindigkeit, die noch eine laminare Strömung gewährleistet, um genaue Tafel-Steigungswerte für eine elektrokatalytische Reaktion zu bestimmen (hier haben wir Nickel-Selenid-basierte Filme für die OER als Beispielsystem verwendet). Die Bestimmung der Tafel-Steigungen aus potentiodynamischen Experimenten kann jedoch weiterhin nützlich sein, wenn die Aktivierungstrends eines Katalysators bei fortlaufender Reaktionszeit beobachtet werden. Es ist zu beachten, dass man sich bei diesen Experimenten eher auf den qualitativen Trend der Veränderung der Tafel-Steigungen als auf die absoluten Tafel-Steigungswerte konzentrieren sollte.
Unsere Studie enthält fundierte Informationen und Vorschläge zu experimentellen und makroskopischen Parametern (z. B. Geometrie der Arbeitselektrode), die für eine akkurate Tafel-Analyse in der Elektrokatalyse verwendet werden sollten.