実験室の電気化学に C-Flow LAB セルを使用する

CASE STUDY

この研究では、C-Flow LAB セルを備えた明確な電気化学システムを研究し、電気化学測定を行うためのこのデバイスの汎用性と使いやすさを示しています。
著者：クレアダウンズ、C-Tech イノベーション研究員（clare.downs@ctechinnovation.com）
フェリシアン化物からフェロシアン化物への電子還元が選択されたのは、この酸化還元反応対がほぼ可逆的な電極反応を示し、化学反応の進行や後の複雑化を伴わないため、サイクリックボルタンメトリー（CV）のデモンストレーションの標準として一般的な選択肢となったためです。1
このケーススタディでは、2 種類の実験が行われました。 1 つは、スキャン速度の効果を示す典型的なサイクリックボルタンメトリー（CV）実験であり、2 つ目の特徴的な線形掃引ボルタンメトリーは、異なる流量での制限電流密度を決定し、フェリシアニド還元の物質移動係数の計算を可能にしました。 線形掃引ボルタ

図 1-C フローセルの拡大図

ンメトリーは、平坦な 2 次元ニッケル電極を使用し、HDPE メッシュを追加して乱流の影響を示し、2 ニッケ

図 2 は、電解質の流れを電極表面近くのセル空間に向ルフォームを追加して電極表面積を増加させました。

けるポリプロピレン製セルフレームとフロー分配イン

3サートを示しています。 図 3 に寸法を示します。

フェリシアン化物の還元のためのカソード反応:[Fe(CN)6]3- + e- → [Fe(CN)6]4この実験の CV 部分はビーカーで行うこともできますが、セルを使用すると、相互に制御された距離にある電極で明確に定義された電極表面積が得られ、界面電位の問題や窒素で脱気する必要がなく、また、電流コレクターに簡単に接続できます。 流体力学的実験を実行する機能により、物質移動係数の計算、乱流効果および3 つの 3 次元電極の動作の理解も可能になります。

装置
このケーススタディでは 6 x 4 cm の C-Flow セルを使用しました（図 1（「C-Flow LAB 6x4」））。 この実験は分割されていないセルで実行されたため、部品番号 8（メンブレン/セパレーター）は省略されました。

1J. Bard, L. R. Faulkner, Electrochemical Methods: Fundamentals andApplications, 2nd Ed., John Wiley and Sons, Inc., 2001

3Ponce De Leon C et al 2014, Chemical Engineering Transactions, 41(2014) 1-6. DOI 10.3303/CET1441001

2 Pletcher et al, Journal of Applied Electrochemistry 24 (1994) 95-106

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図 2 –セルフレームとフロー分配インサートた。3 番目の構成では、ニッケルカソードと電気的に接触する 6 cm x 4 cm のニッケルフォーム片が含まれていました（Linyi Gelon LIB Co Ltd のニッケルフォーム、90ppi、寸法 300 x 400 x 1.6 mm、密度 320 g / m2）。 この構成では、追加の電極表面積が物質移動係数に与える影響を判断できます。
電解質：5 倍モル過剰のフェロシアン化カリウム（Sigma Lot MKBR6235V）を含む 1M 炭酸カリウム溶液（SigmaAldrich バッチ＃0281MH）中の 10mM フェリシアン化カリウム（AnalR Lot＃3512110L）は、Millipore精製システムからの脱イオン水で作成しました。 過剰のフェロシアニドを使用して、アノード反応が速度決

図 3：C-Flow LAB 6x4 セルのフローチャネルの寸法

装置は定にならないようにしました。 CV 実験の場合、溶液には 10mM のフェロシアニドのみが含まれていました。

図 4 に示すようにセットアップされました。

電気化学測定：すべての電気化学実験は,Biologic ポ
テ ン シ オ ス タ ッ ト SP150 を 使 用 し て 実 行 さ れ 、DirectIon Hg / HgSO4 参照電極に対してこの研究のすべての電位が測定されました。 CV は定常流で行われました。つまり、電解液がセルにポンプで送られ、次にポンプがオフになり、最初は 1V から-1V でしたが、周囲温度での Hg / HgSO4 に対して、還元ピークは 0.175Vで測定され、酸化ピークは 0.245V で測定されたことがわかりました。 測定値は、電解質の性質、pH、温度などに依存します。4 CV トレースは、さまざまなスキャン速度で、将来の実験のために 0V-0.5V 対 Hg / HgSO4で測定されました。 線形掃引ボルタンメトリーは、OCV（0 V 付近）から Hg / HgSO4 に対して-1.4 V まで3mV / s のスキャン速度で、40-2000ml / min の異なる電図 4：C-flow テストのセットアップ解質流量で実行されました。 制限電流は、基準に対して約-0.8V で得られました。

C-Flow LAB セルは、アノードとカソードの両方に平らなニッケル板電極を使用して組み立てられました。 これらは、市販のニッケルシート（Ni200、厚さ 1.2 mm）からカットされた 7.2 cm x 5.2 cm の長方形で、6 cm x 5

結果cm のアクティブ電極面積を与えました。 セルは、0.51.さまざまなスキャン速度

bar の水でリークテストされました。 その後の実験でスキャン速度の増加に伴うサイクリックボルタンメトは、他のセル構成を使用しました。セル内の乱流の影リーを図 5 に示します。図の最大電流の位置に注目し響を調べるために、3 ピースの HDPE メッシュ（NetLon、てください。ピークはスキャン速度に関係なくほぼ同

厚さ 2.4mm、ダイヤモンド 6mm）をセルに挿入しましじ電圧で発生します。 これは、この酸化還元反応対の4 Rock, P.A et al, J. Phys. Chem., 70 (1996), 576-580

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特徴であり、電極での迅速な電子移動速度が知られてさせ、次に非電気活性 HDPE メッシュを追加してセルいます。最大電流内の乱流を促進し、最終的に Ni フォームで電極表面積を増加させて記録しました。
図 7 に示すように、すべてのセル構成で約 1V を超える制限プラトーを伴う還元スイープが得られました。制限電流 IL は、Hg / HgSO4 参照電極に対して 0.8V で測定しました。 図 8 は、流速の関数としての制限電流を示しています。 これは、高流量ではメッシュを追加した場合と追加しない場合で測定される電流にほとんど差がないのに対し、低流量ではメッシュを追加すると制限電流が多少改善されることを示しています。 平面ニッケル電極と接触するニッケルフォームの使用は、電極の表面積が大幅に増加するため、測定される限界電流を一桁増加させる効果があります。

図 5 さまざまなスキャン速度での C-Flow セル内のフェリ/フェロシアニド CV

図 6 は、ピーク電流がスキャン速度の平方根に比例することを示しています。これは、Randles-Sevcik の式で予測されています。 これは、スキャン速度の変化に伴う拡散層の厚さの変化によるものです。 スキャン速度が遅い場合、拡散層は、スキャン速度が速い場合よりも電極から大きく成長し、その結果、スキャン速度が速い場合、電極表面へのフラックスが大きくなり、電流が大きくなります。
図 7：線形掃引ボルタンメトリー-Ni 電極の例に追加された
HDPE メッシュ

図 6：スキャン速度とピーク電流の相関
図 8：（i）平坦な Ni プレート電極（ii）乱流促進のための2.物質移動係数の決定

HDPE メッシュを備えた（iii）Ni フォーム電極の流速の関数

電流電位曲線は、1M 水酸化カリウム溶液中のフェリとしての制限電流

シアン化物について、平面 Ni 電極で電解質流量を増加

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ニッケル電極でのフェリシアン化物の還元は物質移動制御され、特定の面積の電極の物質移動係数は次の式から計算できます。5
IL = nkLFCb (1)IL は制限電流、n は反応中の電子数、kL は物質移動係数、F はファラデー定数、Cb はバルク濃度です。 この実験で測定された最低流量では、物質移動係数は次のように計算されました。
物質移動係数電極のセットアップkL (cm/s)

平面ニッケルHDPE メッシュ付き平面ニッケル

カソードに発泡ニッケルを含む平面ニッケル5 x 10-8

1.5 x 10-7

6.4 x 10-6

結論
C-Flow LAB セルでフェリ/フェロシアニド酸化還元対を使用して、2 種類の電気化学測定が行われました。 実験データは、サイクリックボルタンメトリーにおけるスキャン速度とピーク電流の予想される関係を示しました。 異なるセル構成の物質移動係数は、制限電流の測定値から取得されました。

5 Pletcher et al, Journal of Applied Electrochemistry 24 (1994) 95-106

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