Синтез нанопроволоки платины никелевые и оптимизации производительности сокращения кислородная
Summary
Протокол описывает синтеза и электрохимических тестирование нанопроволоки платины никель. Нанопроволоки были синтезированы гальванического перемещение шаблона нанопроволоки никеля. Обработка после синтеза, включая водород отжига, кислотного выщелачивания и кислорода отжига были использованы для оптимизации нанопроволоки производительность и долговечность в снижение реакции кислорода.
Abstract
Платина никель (Pt-Ni) нанопроволоки были разработаны в качестве топливных электрокатализаторов и были оптимизированы для производительности и долговечности в снижение реакции кислорода. Спонтанное гальванического перемещения был использован для депозита Pt слои на Ni нанопроволоки субстраты. Синтез подход производства катализаторов с высоким конкретных мероприятий и высокой Pt поверхностей. Отжиг водорода улучшения Pt и Ni смешивания и конкретной деятельности. Кислотного выщелачивания использовался для преференциально удаления Ni вблизи поверхности нанопроволоки, и отжига кислорода был использован для стабилизации вблизи поверхности Ni, повышение долговечности и минимизации Ni распада. Эти протоколы подробно оптимизации каждого шага обработки после синтеза, включая водород отжига до 250 ° C, подверженности 0,1 М азотной кислоты и кислорода отжига до 175 ° C. Эти шаги Pt-Ni нанопроволоки производится расширение деятельности, более чем на порядок величины чем Pt наночастиц, предлагая значительную прочность улучшений. Представлены протоколы на основе систем Pt-Ni в разработке топливных катализаторов. Эти методы также были использованы для целого ряда металлических комбинаций и может быть применен к разработке катализаторов для ряда электрохимических процессов.
Introduction
Протонного обмена мембраны топливные элементы частично ограничено количество и стоимость платины в слой катализатора, который может приходиться примерно половина топливных затрат1. В топливных элементах наноматериалы обычно разрабатываются как катализаторы уменьшение кислорода, так как реакция кинетически медленнее, чем окисление водорода. Углерод поддерживаемые Pt наночастиц часто используются как электрокатализаторов уменьшение кислорода из-за их высокой поверхности; Однако они имеют конкретные выборочной деятельности и склонны к потери прочности.
Расширенные тонких пленок предлагают потенциальные выгоды наночастиц путем устранения этих ограничений. Расширенные Pt поверхностей обычно производят конкретные мероприятия на порядок больше, чем наночастиц, ограничивая менее активным граней и эффекты размер частиц и показали, чтобы быть прочным под потенциал Велоспорт2,3 , 4. Хотя в расширенной поверхности электрокатализаторов были достигнуты высокие массовые мероприятия, улучшения были сделаны главным образом за счет увеличения в конкретной деятельности и тип катализатора была ограничена Pt с низкой площадью поверхности (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Спонтанное гальванического перемещения сочетает в себе аспекты коррозии и электроосаждение6. Этот процесс обычно регулируются стандартной окислительно-восстановительных потенциалов двух металлов, и осаждения обычно возникает, когда катиона металла более реактивен, чем шаблон. Перемещение, как правило, производят наноструктур, которые соответствуют шаблон морфологии. Применяя эту технику для расширенной наноструктур, катализаторы на основе Pt может быть сформирован, пользующихся преимуществами деятельности сокращения высоких конкретных кислорода расширенных тонких пленок. Путем частичного перемещения небольшое количество Pt сдали и подготовили материалы с высокой поверхностей (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Эти протоколы включают водорода, отжиг смешать Pt и Ni зон и совершенствовать деятельность по сокращению кислорода. Ряд исследований теоретически создала механизм и экспериментально подтвердил легирующих эффект в сокращения кислородная Pt. Моделирование и сопоставление Pt-OH и Pt-O связывание кислорода сокращения деятельности показывают, что Pt улучшений может осуществляться через решетки сжатия9,10. Легирование Pt с небольших переходных металлов подтвердил эту льготу, и Pt-Ni исследовано в ряде форм, в том числе поликристаллического, ограненные электродов, наночастиц и наноструктур11,12, 13,14.
Гальванические перемещения был использован в Pt кислорода снижения катализатором развития с целым рядом других шаблонов, включая серебро, медь и кобальт наноструктур15,16,17. Метод синтеза также был использован в осаждения других металлов и подготовил электрокатализаторов для топливных элементов, Электролизеры и электрохимическое окисление спиртов18,19,20, 21. Аналогичных протоколов также может быть адаптирована для синтеза наноматериалов с более широким кругом электрохимических приложений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эти протоколы были использованы для получения расширенной поверхности электрокатализаторов с высокой поверхности областях и конкретных мероприятий в реакции уменьшение кислорода8. Сдав Pt на наноструктурированных шаблоны, нанопроволоки избегать низких скоординированн?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Финансовую поддержку оказали Министерство энергетики США, Управление по обеспечению энергоэффективности и возобновляемых источников энергии по контракту № де-AC36-08GO28308 в 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).
