סינתזה של פלטינה וניקל Nanowires ואופטימיזציה לביצועים הפחתת חמצן
Summary
הפרוטוקול מתאר סינתזה ובדיקות אלקטרוכימי של nanowires פלטינה וניקל. Nanowires היו מסונתז על ידי העקירה גלווני של תבנית ננו-חוט ניקל. עיבוד שלאחר סינתזה, כולל מימן חישול, שטיפת חומצה ו חמצן חישול שימשו כדי למטב nanowire ביצועים ועמידות ב התגובה הפחתת חמצן.
Abstract
Nanowires פלטינה-ניקל (Pt-Ni) פותחו כמו תא דלק electrocatalysts, עברו אופטימציה להצגה הביצועים ועמידות ב התגובה הפחתת חמצן. הזחה גלווני ספונטנית שימש להפקיד Pt שכבות על גבי מצעים nanowire ני. הגישה סינתזה הפיק זרזים עם פעילויות ספציפיות גבוהה, גבוהה Pt פני שטחים. מימן חישול שיפור פעילות ערבוב וספציפי Pt וני. שטיפת חומצה שימש מעדיפים להסיר ני קרוב לפני השטח ננו-חוט, חמצן חישול שימש להתייצב ליד-פני ני, שיפור עמידות וצמצום ני התפרקות. פרוטוקולים אלה פירוט אופטימיזציה של כל שלב הסינתזה שלאחר עיבוד, כולל מימן חישול עד 250 מעלות צלזיוס, חשיפה 0.1 M חומצה חנקתית, חמצן חישול ל 175 מעלות צלזיוס. הצעדים הללו, Pt-ני nanowires הפקה פעילות מוגברת יותר בסדר גודל יותר חלקיקים Pt, בעודו מציע שיפורים משמעותיים עמידות. הפרוטוקולים הציג מבוססים על מערכות Pt-ני בפיתוח של זרזים תא דלק. טכניקות אלה היו בשימוש גם עבור מגוון רחב של שילובים מתכת, ניתן להחיל על פיתוח זרזים עבור מספר תהליכים אלקטרוכימי.
Introduction
פרוטון חילופי דלק תאים הממברנה מוגבלים באופן חלקי על ידי הכמות ואת העלות של פלטינה נדרש בשכבת זרז, אשר יכול להסביר על החצי של תא דלק עולה1. בתאי דלק, ננו-חומרים מפותחים בדרך כלל כמו חמצן הפחתת זרזים, מאז התגובה היא kinetically איטי יותר מימן חמצון. הנתמכות על-ידי פחמן חלקיקי Pt משמשים לעתים קרובות כמו חמצן electrocatalysts הפחתה בשל פני השטח גבוהה שלהם; עם זאת, יש פעילות ספציפית סלקטיבי והם נוטים עמידות הפסדים.
סרטים רזה המורחבת מציעים היתרונות הפוטנציאליים לפעילות חלקיקים באמצעות טיפול מגבלות אלה. משטחים Pt המורחבת בדרך כלל לייצר פעילויות ספציפיות בסדר גודל גדול יותר חלקיקים, על-ידי הגבלת היבטים פחות פעיל ואפקטים גודל החלקיקים, הוכחו להיות עמיד תחת פוטנציאל רכיבה על אופניים2,3 , 4. בעוד פעילויות מסה גבוהה הושגו ב electrocatalysts משטח מורחבת, שיפורים נעשו בעיקר באמצעות מגביר פעילות ספציפית, הסוג זרז הוגבלה ל Pt עם פני שטח נמוכה (10 מ’2 g Pt -1) 3 , 4 , 5.
הזחה גלווני ספונטנית משלב את ההיבטים של קורוזיה ו electrodeposition6. התהליך נשלטת בדרך כלל על ידי הפוטנציאל הסטנדרטי חמצון-חיזור של שתי מתכות, התצהיר מתרחשת בדרך כלל כאשר הקטיון מתכת תגובתי יותר מאשר התבנית. העקירה נוטה לייצר nanostructures התואמים המורפולוגיה תבנית. על-ידי החלת טכניקה זו nanostructures מורחב, זרזים מבוסס-Pt יכול להיווצר את היתרון של חמצן ספציפיות גבוהה הפחתת הפעילות של סרטים רזה המורחבת. דרך עקירה חלקית, כמויות קטנות של Pt נצברים, יצרו חומרים עם7,גבוהה פני שטחים (> 90 מ’2 gPt-1)8.
פרוטוקולים אלה כרוכים מימן חישול לערבב Pt ואזורי ני ולשפר את החמצן הפחתת פעילות. מספר מחקרים תיאורטית הקים את המנגנון, שבו אישר את אפקט alloying להפחתת החמצן Pt. מידול, מתאם האיגוד Pt-הו ו- Pt-O החמצן הפחתת פעילות להציע שיפורים Pt, יכול להתבצע באמצעות סריג דחיסה9,10. Alloying Pt עם מתכות המעבר קטן יותר אישרה הטבה זו, ו- Pt-ני נחקר במספר צורות, לרבות polycrystalline, אלקטרודות פאות, חלקיקים nanostructures11,12, 13,14.
הזחה גלווני שימש בפיתוח זרז הפחתת Pt-חמצן עם מגוון רחב של תבניות אחרות, לרבות כסף, נחושת, קובלט nanostructures15,16,17. הטכניקה סינתזה שימש גם בעדות של מתכות אחרות ו הפיק electrocatalysts תאי דלק, electrolyzers של חמצון אלקטרוכימי של כהלים18,19,20, 21. ניתן גם להתאים פרוטוקולים דומה לסינתזה של ננו-חומרים במגוון רחב של יישומים אלקטרוכימי.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקולים אלה שימשו כדי לייצר electrocatalysts משטח מורחבת עם פני השטח באזורים גבוהים וגם פעילויות ספציפיות הפחתת התגובה של חמצן8. על ידי הפקדת נק’ על גבי תבניות nanostructured, nanowires להימנע אתרי מתואמת נמוך ולצמצם את גודל אפקטים של חלקיקים, הפקת פעילויות ספציפיות יותר מ 12 פעמים יותר מאשר חל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
תמיכה כספית סופק על ידי משרד האנרגיה האמריקני, Office של יעילות אנרגיה מתחדשת תחת מספר חוזה דה-AC36-08GO28308 כדי NREL.
Materials
| Nickel nanowires | Plasmachem GmbH | ||
| 250 mL round bottom flask | Ace Glass | ||
| Hot plate | VWR International | ||
| Mineral oil | VWR International | ||
| Potassium tetrachloroplatinate | Sigma Aldrich | ||
| Syringe pump | New Era Pump Systems | ||
| Rotator | Arrow Engineering | ||
| Teflon paddle | Ace Glass | ||
| Glass shaft | Ace Glass | ||
| Split hinge tubular furnace | Lindberg | Customized in-house | |
| Schlenk line | Ace Glass | ||
| Condensers | VWR International | ||
| Nitric acid | Fisher Scientific | ||
| 2-propanol | Fisher Scientific | ||
| Nafion ionomer (5 wt. %) | Sigma Aldrich | ||
| Glassy carbon working electrode | Pine Instrument Company | ||
| RDE glassware | Precision Glassblowing | Customized in-house | |
| Platinum wire | Alfa Aesar | Customized in-house | |
| Platinum mesh | Alfa Aesar | Customized in-house | |
| MSR Rotator | Pine Instrument Company | ||
| Potentiostat | Metrohm Autolab |
References
- Bregoli, L. J. Influence of Platinum Crystallite Size on Electrochemical Reduction of Oxygen in Phosphoric-Acid. Electrochim. Acta. 23 (6), 489-492 (1978).
- Debe, M. K., Parsonage, E. E. Nanostructured electrode membranes. US patent. , (1994).
- Papandrew, A. B., et al. Oxygen Reduction Activity of Vapor-Grown Platinum Nanotubes. ECS Trans. 50 (2), 1397-1403 (2013).
- Alia, S. M., Yan, Y. S., Pivovar, B. S. Galvanic displacement as a route to highly active and durable extended surface electrocatalysts. Cat. Sci. Tech. 4 (10), 3589-3600 (2014).
- Alia, S. M., et al. Platinum-Coated Nickel Nanowires as Oxygen-Reducing Electrocatalysts. ACS Cat. 4 (4), 1114-1119 (2014).
- Alia, S. M., et al. Exceptional Oxygen Reduction Reaction Activity and Durability of Platinum-Nickel Nanowires through Synthesis and Post-Treatment Optimization. ACS Omega. 2 (4), 1408-1418 (2017).
- Norskov, J., et al. Origin of the Overpotential for Oxygen Reduction at a Fuel-Cell Cathode. J. Phys. Chem. B. 108 (46), 17886-17892 (2004).
- Sha, Y., Yu, T. H., Merinov, B. V., Shirvanian, P., Goddard, W. A. Mechanism for Oxygen Reduction Reaction on Pt3Ni Alloy Fuel Cell Cathode. J. Phys. Chem. C. 116 (40), 21334-21342 (2012).
- Paulus, U. A., et al. Oxygen reduction on high surface area Pt-based alloy catalysts in comparison to well defined smooth bulk alloy electrodes. Electrochim. Acta. 47 (22-23), 3787-3798 (2002).
- Stamenkovic, V., et al. Changing the activity of electrocatalysts for oxygen reduction by tuning the surface electronic structure. Angew. Chem. 118 (18), 2963-2967 (2006).
- Cui, C., Gan, L., Heggen, M., Rudi, S., Strasser, P. Compositional segregation in shaped Pt alloy nanoparticles and their structural behaviour during electrocatalysis. Nat Mater. 12 (8), 765-771 (2013).
- Chen, C., et al. Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces. Science. 343 (6177), 1339-1343 (2014).
- Alia, S., et al. Porous Platinum Nanotubes for Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Reactions. Adv. Funct. Mater. 20 (21), 3742-3746 (2010).
- Alia, S. M., et al. Platinum Coated Copper Nanowires and Platinum Nanotubes as Oxygen Reduction Electrocatalysts. ACS Cat. 3 (3), 358-362 (2013).
- Alia, S. M., et al. Platinum-Coated Cobalt Nanowires as Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts. ACS Cat. 4 (8), 2680-2686 (2014).
- Alia, S. M., Duong, K., Liu, T., Jensen, K., Yan, Y. Palladium and Gold Nanotubes as Oxygen Reduction Reaction and Alcohol Oxidation Reaction Catalysts in Base. ChemSusChem. , (2014).
- Alia, S. M., Pylypenko, S., Neyerlin, K. C., Kocha, S. S., Pivovar, B. S. Platinum Nickel Nanowires as Methanol Oxidation Electrocatalysts. J. Electrochem. Soc. 162 (12), 1299-1304 (2015).
- Alia, S. M., et al. Oxidation of Platinum Nickel Nanowires to Improve Durability of Oxygen-Reducing Electrocatalysts. J. Electrochem. Soc. 163 (3), 296-301 (2016).
