Sintesi di nanofili di platino-nichel e ottimizzazione per le prestazioni di riduzione di ossigeno
Summary
Il protocollo descrive la sintesi e test elettrochimico di nanofili di platino-nichel. Nanofili sono stati sintetizzati dallo spostamento di un modello di nanowire nichel galvanico. Post-sintesi elaborazione, compresa la ricottura di idrogeno, acido lisciviazione e ricottura di ossigeno sono stati utilizzati per ottimizzare nanowire prestazioni e durata nella reazione di riduzione di ossigeno.
Abstract
Nanofili di platino-nichel (Pt-Ni) sono stati sviluppati come elettrocatalizzatori per celle a combustibile e sono stati ottimizzati per le prestazioni e la durata nella reazione di riduzione di ossigeno. Spontaneo spostamento galvanico è stato usato per depositare strati Pt su substrati di nanowire Ni. L’approccio di sintesi prodotte catalizzatori con alta attività specifiche e alte superfici di Pt. Ricottura di idrogeno, ha migliorato il Pt e Ni miscelazione e specifiche attività. Lisciviazione acida è stato utilizzato preferenzialmente rimuovere Ni vicino alla superficie di nanowire e ricottura di ossigeno è stato usato per stabilizzare Ni vicino alla superficie, migliorando la durata e minimizzando la dissoluzione di Ni. Questi protocolli dettaglio l’ottimizzazione di ogni fase di lavorazione post-sintesi, tra cui idrogeno ricottura a 250 ° C, esposizione ad acido nitrico 0.1 M e ossigeno ricottura a 175 ° C. Attraverso questi passaggi, Pt-Ni nanofili prodotta attività aumentate più di un ordine di grandezza di nanoparticelle di Pt, offrendo miglioramenti di durata significativa. I protocolli presentati sono basati su sistemi di Pt-Ni nello sviluppo di catalizzatori per celle a combustibile. Queste tecniche sono state utilizzate anche per una varietà di combinazioni di metallo e possono essere applicate per sviluppo di catalizzatori per un certo numero di processi elettrochimici.
Introduction
Protone cambio membrana celle a combustibile sono parzialmente limitate dalla quantità e dal costo del platino richiesto nello strato catalizzatore, che possa rappresentare per mezzo di celle a combustibile costi1. Nelle celle a combustibile, nanomateriali vengono in genere sviluppati come catalizzatori di riduzione di ossigeno, poiché la reazione è cineticamente più lenta di ossidazione dell’idrogeno. Carbonio-supportato Pt nanoparticelle sono spesso utilizzate come elettrocatalizzatori di riduzione di ossigeno a causa della loro elevata area superficiale; Tuttavia, essi hanno specifiche attività selettiva e sono soggette a perdite di durevolezza.
Film sottili estesa offrire potenziali benefici alle nanoparticelle di indirizzamento di queste limitazioni. Estese superfici di Pt in genere producono attività specifiche di un ordine di grandezza maggiore di nanoparticelle, limitando sfaccettature meno attive e gli effetti di dimensione delle particelle e hanno dimostrate di essere durevole sotto potenziale ciclismo2,3 , 4. mentre alta attività di massa sono stati raggiunti in elettrocatalizzatori superficie estesa, sono stati apportati miglioramenti soprattutto attraverso aumenti nell’attività specifica e il tipo di catalizzatore è stato limitato a Pt con una bassa superficie (10m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontaneo spostamento galvanico combina gli aspetti di corrosione ed elettrodeposizione6. Il processo è generalmente disciplinato i potenziali ossidoriduttivi standard dei due metalli e la deposizione si verifica in genere quando il catione del metallo è più reattivo il modello. Lo spostamento tende a produrre nanostrutture che corrispondono la morfologia di modello. Applicando questa tecnica estesa nanostrutture, i catalizzatori a base di Pt possono essere formati che sfruttano l’attività di riduzione di ossigeno specifico elevato di film sottili estesa. Attraverso lo spostamento parziale, piccole quantità di Pt sono stati depositati e hanno prodotto materiali con superfici ad alta (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Questi protocolli coinvolgono idrogeno ricottura per mescolare zone Pt e Ni e migliorare le attività di riduzione dell’ossigeno. Una serie di studi hanno stabilito teoricamente il meccanismo e confermato sperimentalmente un effetto lega nella riduzione dell’ossigeno Pt. Modellazione e correlando associazione Pt-OH e Pt-O per attività di riduzione dell’ossigeno suggeriscono che miglioramenti Pt possono essere fatta attraverso la grata compressione9,10. Pt di lega con metalli di transizione più piccoli ha confermato questo beneficio, e Pt-Ni è stato studiato in un certo numero di forme, tra cui policristallino, elettrodi sfaccettati, nanoparticelle e nanostrutture11,12, 13,14.
Spostamento galvanico è stato utilizzato nello sviluppo di catalizzatore di riduzione Pt-ossigeno con una varietà di altri modelli, tra cui argento, rame e cobalto nanostrutture15,16,17. La tecnica di sintesi è stata utilizzata anche nella deposizione di altri metalli e ha prodotto elettrocatalizzatori per celle a combustibile, elettrolizzatore e l’ossidazione elettrochimica di alcoli18,19,20, 21. Protocolli simili possono anche essere adattati per la sintesi dei nanomateriali con una gamma più ampia di applicazioni elettrochimiche.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questi protocolli sono stati utilizzati per produrre elettrocatalizzatori estesa superficie con elevate superficie aree e specifiche attività alla reazione di riduzione dell’ossigeno8. Depositando Pt su modelli nanostrutturati, i nanofili evitato bassi siti coordinati e minimizzano gli effetti di dimensione delle particelle, producendo specifiche attività più di 12 volte maggiore di nanoparticelle di carbonio-supportato Pt. Utilizzando spostamento galvanico come l’approccio di sintesi prodotto …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sostegno finanziario è stato fornito dal US Department of Energy, ufficio di efficienza energetica ed energie rinnovabili sotto numero di contratto DE-AC36-08GO28308 a 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
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