تركيب أسلاك البلاتين والنيكل والأمثل للأكسجين الحد من الأداء
Summary
ويصف البروتوكول توليف واختبار الكهروكيميائية لاسلاك البلاتين والنيكل. تم توليف أسلاك بتشريد غلفانيه قالب أسلاك متناهية الصغر النيكل. التوليف ما بعد المعالجة، بما في ذلك الهيدروجين الصلب وحمض النض والصلب الأكسجين استخدمت لتحسين أداء أسلاك متناهية الصغر والمتانة في رد فعل الحد من الأوكسجين.
Abstract
أسلاك البلاتين والنيكل (Pt-ني) وضعت كخلية الوقود اليكتروكاتاليستس، وكانت الأمثل للأداء والمتانة في رد فعل الحد من الأكسجين. واستخدمت التشرد غلفانيه عفوية إيداع طبقات حزب العمال على ركائز أسلاك متناهية الصغر ني. النهج التجميعي إنتاج المواد الحفازة بأنشطة محددة عالية وعالية Pt المساحات السطحية. الهيدروجين الصلب تحسن النشاط خلط وتحديداً حزب العمال والمؤسسات الوطنية. النض حمض استخدمت بشكل تفضيلي إزالة ني قرب السطح أسلاك متناهية الصغر، والأكسجين الصلب كان يستخدم لتحقيق استقرار ني القريبة من السطح، تحسين متانة والتقليل إلى أدنى حد ني انحلال. هذه البروتوكولات بالتفصيل الأمثل لكل خطوة من خطوات تجهيز التوليف فيما بعد، بما في ذلك الهيدروجين الصلب إلى 250 درجة مئوية، والتعرض لحمض النيتريك 0.1 M، والأكسجين الصلب إلى 175 درجة مئوية. من خلال هذه الخطوات، تنتج أسلاك بط ني زيادة الأنشطة أكثر من حجم من جسيمات نانوية Pt، حين تقدم تحسينات كبيرة من المتانة. البروتوكولات المقدمة تستند إلى نظم بط ني في تطوير عوامل حفازة خلية الوقود. هذه التقنيات قد استخدمت أيضا لمجموعة متنوعة من تركيبات معدنية، ويمكن تطبيقها على تطوير عوامل حفازة لعدد من العمليات الكهروكيميائية.
Introduction
خلايا وقود غشاء تبادل البروتون مقيدة جزئيا بكمية وتكلفة البلاتين المطلوبة في طبقة محفز، التي يمكن أن تستأثر بنصف تكاليف خلية الوقود1. في خلايا الوقود، المواد متناهية الصغر توضع عادة كعوامل حفازة في الحد من الأكسجين، نظراً لأن رد الفعل كينيتيكالي أبطأ من أكسدة الهيدروجين. جسيمات نانوية Pt المدعومة من الكربون كثيرا ما تستخدم كالأوكسجين الحد اليكتروكاتاليستس بسبب تلك المساحة السطحية العالية؛ بيد أنها محددة النشاط الانتقائي وعرضه للخسائر المتانة.
الأغشية الرقيقة موسعة توفر المنافع المحتملة لجسيمات نانوية بالتصدي لهذه القيود. الموسعة Pt السطوح عادة إنتاج أنشطة محددة أمر من حجم أكبر من جسيمات نانوية، عن طريق الحد من جوانب أقل نشاطا وآثار حجم الجسيمات، وقد ثبت أن تكون دائمة تحت إمكانية ركوب الدراجات2،3 , 4-أنشطة جماعية عالية قد تحققت في اليكتروكاتاليستس سطح الموسعة، وقد أدخلت تحسينات أساسا من خلال الزيادات في نشاط محدد ونوع محفز كانت محدودة لحزب العمال مع مساحة منخفضة (10 م2 ز حزب العمال -1) 3 , 4 , 5.
التشرد غلفانيه عفوية يجمع بين الجوانب من التآكل واليكتروديبوسيشن6. العملية عموما تخضع إمكانيات الأكسدة القياسية من المعادن اثنين، والترسب يحدث عادة عند الموجبة المعدني رد الفعل أكثر من القالب. التشرد يميل إلى إنتاج النانو التي تطابق مورفولوجية القالب. بتطبيق هذا الأسلوب على النانو الموسعة، يمكن أن تشكل عوامل حفازة المستندة إلى حزب العمال التي تستفيد من نشاط الحد من الأوكسجين المحددة عالية الأغشية الرقيقة الموسعة. من خلال التشرد الجزئي، وقد أودعت كميات صغيرة من حزب العمال، وأنتجت مواد ذات المساحات السطحية عالية (> 90 م2 زPt-1)7،8.
تنطوي هذه البروتوكولات الهيدروجين الصلب إلى مزيج مناطق حزب العمال والمؤسسات الوطنية وتحسين نشاط تخفيض الأوكسجين. نظرياً أنشأ الآلية عدد من الدراسات وأكدت تجريبيا أثر تسبيك في تخفيض الأكسجين Pt. النمذجة وربط ملزمة Pt-OH و Pt-O لنشاط تخفيض الأكسجين تشير إلى أنه يمكن إدخال تحسينات حزب العمال من خلال شعرية ضغط9،10. خلط حزب العمال مع أصغر انتقال المعادن قد أكدت هذا الاستحقاق، وبط ني وقد تم التحقيق في عدد من النماذج، بما في ذلك أقطاب الأوجه وجسيمات نانوية، الكريستالات والنانو11،12، 13،14.
وقد استخدمت التشرد غلفانيه في Pt-الأكسجين خفض حافز التنمية مع مجموعة متنوعة من القوالب الأخرى، بما في ذلك الفضة والنحاس والكوبالت النانو15،،من1617. تقنية التوليف قد استخدمت أيضا في ترسب المعادن الأخرى، وقد أنتجت اليكتروكاتاليستس لخلايا الوقود والجهاز الكهربائي، والأكسدة الكهروكيميائية كحول18،،من1920، 21. يمكن تكييفها مع بروتوكولات مماثلة أيضا لتركيب المواد النانوية مع مجموعة واسعة من التطبيقات الكهروكيميائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
استخدمت هذه البروتوكولات لإنتاج اليكتروكاتاليستس السطحية الموسعة مع المناطق السطحية العالية وأنشطة محددة في رد فعل خفض الأكسجين8. بإيداع حزب العمال على قوالب ذات البنية النانومترية، تجنب مواقع منسقة منخفضة أسلاك والتقليل إلى أدنى حد من آثار حجم الجسيمات، المنتجة لأنشطة مح?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقدمت الدعم المالي من وزارة الطاقة في الولايات المتحدة، ومكتب لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة تحت رقم العقد دي-AC36-08GO28308 إلى نريل.
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 |
Riferimenti
- 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).
