铂镍纳米线的合成及减氧性能优化
Summary
该协议描述了铂镍纳米线的合成和电化学测试。用镍纳米线模板的电偶位移合成了纳米丝。采用氢退火、酸浸、氧退火等合成工艺, 优化了氧还原反应中纳米线的性能和耐久性。
Abstract
以铂镍 (Pt 镍) 纳米线为燃料电池催化剂, 对氧还原反应的性能和耐久性进行了优化设计。利用自发电偶位移将 Pt 层沉积在镍纳米线基体上。合成方法生产的催化剂具有高特异活性和高 Pt 表面积。氢退火改善了 Pt 和镍的混合和特定的活性。采用酸浸法优先去除纳米线表面附近的镍, 采用氧退火法稳定近表面镍, 提高耐久性, 减少镍的溶解。这些协议详细的优化每个后合成处理步骤, 包括氢退火到250°c, 暴露到0.1 米硝酸, 氧退火到175摄氏度。通过这些步骤, 铂镍纳米线产生的活动比铂纳米粒子的数量级更高, 同时提供了显著的耐久性改进。所提出的协议是基于 Pt 镍系统在燃料电池催化剂的发展。这些技术也被用于各种金属组合, 并可用于发展多种电化学过程的催化剂。
Introduction
质子交换膜燃料电池部分受催化剂层所需铂量和成本的限制, 燃料电池成本的一半可能是1。在燃料电池中, 纳米材料通常被开发成氧还原催化剂, 因为反应比氢氧化动力学慢。碳支持铂纳米粒子由于其高的表面面积, 常被用作氧还原催化剂;然而, 它们有特定的选择性活动, 容易产生耐久性损失。
扩展薄膜通过解决这些限制, 为纳米粒子提供了潜在的好处。延长 Pt 表面通常会产生比纳米粒子大得多的特定活动, 通过限制不太活跃的小平面和粒度效应, 并且在可能的循环2、3下显示为持久性。,4. 虽然在扩展表面催化剂中实现了高质量活动, 但主要是通过增加特定活动, 而催化剂类型仅限于 Pt, 低表面积 (10 米2 gPt-1)3,4,5。
自发电偶位移结合腐蚀和电泳的方面6。该工艺一般受两种金属的标准氧化还原电位的控制, 当金属阳离子比模板更具反应性时, 沉积通常发生。位移倾向于产生与模板形态相匹配的纳米结构。将该技术应用于扩展纳米结构, 可以形成铂基催化剂, 利用扩展薄膜的高比氧还原活性。通过部分位移, 少量 Pt 已沉积, 并已产生高表面积的材料 (> 90 米2 gPt-1)7,8。
这些协议涉及氢退火, 以混合 Pt 和镍区和改善氧还原活动。一些研究已经在理论上建立了这种机制, 并在实验中证实了铂氧还原过程中的合金化效应。将 pt OH 和铂 O 结合到氧还原活动的建模和关联表明 pt 改进可以通过格子压缩9,10进行。合金 pt 与较小的过渡金属已经证实了这一好处, 铂镍已被调查的一些形式, 包括多晶硅, 多面电极, 纳米粒子和纳米结构11,12, 13,14。
电偶位移已用于铂氧还原催化剂的开发与各种其他模板, 包括银, 铜, 钴纳米结构15,16,17。该合成技术还用于其他金属的沉积, 并为燃料电池、电解槽和醇类的电化学氧化制备了催化剂18,19,20, 21。类似的协议也可用于合成纳米材料, 具有更广泛的电化学应用。
Protocol
Representative Results
Discussion
这些协议已经用于产生扩展表面催化剂与高表面区域和具体活动在氧气减少反应8。通过将 Pt 沉积在纳米结构模板上, 纳米线避免了低协调的场地, 减少了颗粒尺寸效应, 产生了比碳支持的铂纳米粒子高12倍以上的特定活动。利用电偶位移作为合成方法, 在 Ni 模板7上也产生了近似涂层。在 Pt 位移较低的情况下, 该工艺产生的电化学表面面积超过90米2 gPt…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
根据合同号 DE-AC36-08GO28308 到 NREL, 美国能源部、能源效率和可再生能源办公室提供了财政支助。
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
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