Syntese af Platinum-nikkel Nanowires og optimering for ilt reduktion ydeevne
Summary
Protokollen beskriver syntese og elektrokemiske afprøvning af platinum-nikkel nanowires. Nanowires blev syntetiseret af galvanisk fordrivelse af en nikkel Nanotråd skabelon. Efter syntese behandling, herunder brint udglødning, syre udvaskning og ilt udglødning blev brugt til at optimere Nanotråd ydeevne og holdbarhed i ilt reduktion reaktionen.
Abstract
Platinum-nikkel (Pt-Ni) nanowires blev udviklet som brændselscelle electrocatalysts, og var optimeret til ydeevne og holdbarhed i ilt reduktion reaktionen. Spontan galvaniske fordrivelse blev brugt til at deponere Pt lag på Ni Nanotråd substrater. Syntese tilgang produceret katalysatorer med høje specifikke aktiviteter og høj Pt overfladearealer. Brint udglødning forbedret Pt og Ni blanding og specifikke aktivitet. Syre udvaskning blev brugt til at fjerne fortrinsvis Ni nær Nanotråd overflade, og ilt udglødning blev brugt til at stabilisere nær overfladen Ni, forbedre holdbarhed og minimere Ni opløsning. Disse protokoller detalje optimering af hver enkelt post syntese behandlingstrin, herunder brint udglødning til 250 ° C, eksponering til 0,1 M salpetersyre og ilt udglødning til 175 ° C. Gennem disse skridt produceret Pt-Ni nanowires øgede aktiviteter i mere end en størrelsesorden end Pt nanopartikler, samtidig med at væsentlige holdbarhed forbedringer. De præsenterede protokoller er baseret på Pt-Ni systemer i udviklingen af brændselscelle katalysatorer. Disse teknikker er også blevet anvendt til en række forskellige kombinationer af metal, og kan anvendes til at udvikle katalysatorer for en række elektrokemiske processer.
Introduction
Proton exchange membran brændselsceller er delvis begrænset af beløb og udgifter til platinum kræves i laget katalysator, som kan tegner sig for halvdelen af brændselscelle omkostninger1. I brændselsceller, er nanomaterialer typisk udviklet som ilt reduktion katalysatorer, da reaktionen er kinetically langsommere end brint oxidation. Carbon-støttede Pt nanopartikler bruges ofte som ilt reduktion af electrocatalysts på grund af deres høje areal; men de har specifikke selektiv aktivitet og er udsat for holdbarhed tab.
Udvidet tynde film tilbyde potentielle fordele for nanopartikler ved at behandle disse begrænsninger. Udvidet Pt overflader typisk producere specifikke aktiviteter en størrelsesorden større end nanopartikler, ved at begrænse mindre aktive facetter og partikel størrelse effekter, og har vist sig at være holdbare under potentiale cykling2,3 , 4. mens høj masse aktiviteter har været opnået i udvidet overflade electrocatalysts, er sket forbedringer primært gennem stigninger i specifikke aktivitet og katalysator type har været begrænset til Pt med en lav areal (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontan galvaniske forskydning kombinerer aspekter af korrosion og electrodeposition6. Processen styres generelt standard redox potentialer for de to metaller, og deposition opstår typisk, når den metal, som er mere reaktive end skabelonen. Fordrivelse tendens til at producere nanostrukturer, der passer til skabelon morfologien. Ved at anvende denne teknik til udvidet nanostrukturer, kan være dannet Pt-baserede katalysatorer, som drager fordel af høje specifikke ilt reduktion aktivitet af udvidede tynd film. Gennem delvis fortrængning, små mængder af Pt er blevet deponeret, og har produceret materialer med høj overflade områder (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Disse protokoller inddrage brint udglødning for at blande Pt og Ni zoner og forbedre ilt reduktion aktivitet. En række undersøgelser har teoretisk etableret mekanismen og eksperimentelt bekræftet en legering effekt i Pt ilt reduktion. Modellering og korrelerede Pt-OH og Pt-O bindingen til ilt reduktion aktivitet tyder på, at Pt kan forbedres gennem gitter kompression9,10. Legering Pt med mindre overgangsmetaller har bekræftet denne fordel, og Pt-Ni er blevet undersøgt i en række former, herunder polykrystallinske, facetteret elektroder, nanopartikler og nanostrukturer11,12, 13,14.
Galvanisk forskydning har været brugt i Pt-ilt reduktion katalysator udvikling med en række andre skabeloner, herunder sølv, kobber, og cobalt nanostrukturer15,16,17. Syntese teknik er også blevet brugt i aflejring af andre metaller og har produceret electrocatalysts for brændselsceller, electrolyzers og elektrokemisk oxidation af alkoholer18,19,20, 21. Lignende protokoller kan også tilpasses til syntese af nanomaterialer med en bredere vifte af elektrokemiske applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Disse protokoller har været brugt til at producere udvidet overflade electrocatalysts med både høj overflade områder og specifikke aktiviteter i ilt reduktion reaktionen8. Ved at deponere Pt på nanostrukturerede skabeloner, nanowires undgås lav koordineret sites og minimere størrelsen partikeleffekter, producere specifikke aktiviteter mere end 12 gange større end CO2-støttede Pt nanopartikler. Ved hjælp af galvanisk forskydning som syntese tilgang også produceret en omtrentlig belægnin…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansielle støtte blev leveret fra det amerikanske Department of Energy, Office of Energy Efficiency og vedvarende energi under kontraktnummer DE-AC36-08GO28308 til 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 |
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).
