Syntesen av Platinum-nickel nanotrådar och optimering för syre minskning prestanda
Summary
Protokollet beskrivs syntesen och elektrokemisk testning av platina-nickel nanotrådar. Nanotrådar var syntetiseras av galvanisk förskjutningen av en nickel nanotråd mall. Efter syntes behandling, inbegripet väte glödgning, acid leaching och syre glödgning användes för att optimera nanotråd prestanda och hållbarhet i syre minskning reaktionen.
Abstract
Platina-nickel (Pt-Ni) nanotrådar utvecklades som bränsleceller elektrokatalysatorer och var optimerad för prestanda och hållbarhet i syre minskning reaktionen. Spontan galvanisk deplacement användes för att sätta in Pt lager på Ni nanotråd substrat. Metoden syntes producerade katalysatorer med höga specifika aktiviteter och hög Pt ytor. Väte glödgning bättre Pt och Ni blandning och specifik aktivitet. Acid leaching användes prioriterat bort Ni nära nanotråd ytan och syre glödgning användes för att stabilisera ytnära Ni, att förbättra hållbarhet och minimerar Ni upplösning. Dessa protokoll detalj optimering av varje efter syntes bearbetningssteg, inklusive väte glödgning till 250 ° C, exponering för 0,1 M salpetersyra och syre glödgning till 175 ° C. Genom dessa steg produceras Pt-Ni nanotrådar ökade aktiviteter mer än en storleksordning än Pt nanopartiklar, samtidigt som den erbjuder betydande hållbarhet förbättringar. De presenterade protokoll baseras på Pt-Ni system i utvecklingen av bränsleceller katalysatorer. Dessa tekniker har också använts för en mängd metall kombinationer, och kan användas för att utveckla katalysatorer för ett antal elektrokemiska processer.
Introduction
Proton exchange membran bränsleceller begränsas delvis av mängden och kostnaden för platinum krävs i katalysator lagret, som kan står för hälften av bränsleceller kostnader1. I bränsleceller utvecklas vanligtvis nanomaterial som syre minskning katalysatorer, eftersom reaktionen är kinetiskt långsammare än väte oxidation. Kol-stödda Pt nanopartiklar används ofta som syre minskning elektrokatalysatorer på grund av deras höga yta; dock de har specifika selektiv aktivitet och är benägna att hållbarhet förluster.
Utökade tunna filmer erbjuda potentiella fördelar för nanopartiklar genom att adressera dessa begränsningar. Förlängd Pt ytor normalt producera särskilda verksamheter en storleksordning större än nanopartiklar, genom att begränsa mindre aktiva facetter och partikel storlek effekter och har visat sig vara hållbara enligt potential cykling2,3 , 4. medan hög massa aktiviteter har uppnåtts i utökad yta elektrokatalysatorer, förbättringar har gjorts främst genom ökningar i specifik aktivitet och vilken katalysator har begränsats till Pt med en låg yta (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontan galvanisk deplacement kombinerar aspekterna av korrosion och elektroavsättning6. Processen styrs generellt av standard redox potential av de två metallerna och nedfall uppstår vanligtvis när metall cationen är mer reaktiv än mallen. Förskjutningen tenderar att producera nanostrukturer som matchar mallen morfologi. Genom att tillämpa denna teknik till utökade nanostrukturer, kan Pt-baserade katalysatorer bildas som drar nytta av aktiviteten hög specifik syre minskning av utökade tunna filmer. Genom partiella förskjutning, små mängder av Pt har deponerats, och har producerat material med hög ytor (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Dessa protokoll innebära väte glödgning för att blanda Pt och Ni zoner och förbättra syre minskad aktivitet. Ett antal studier har teoretiskt etablerade mekanismen och experimentellt bekräftade en legera effekt i Pt syre minskning. Modellering och korrelera Pt-OH och Pt-O bindning till syre minskning aktivitet tyder på att Pt förbättringar kan göras genom gallret kompression9,10. Legeringsämnen Pt med mindre övergångsmetaller har bekräftat denna förmån, och Pt-Ni har undersökts i ett antal former, inklusive polykristallina, facetterade elektroder, nanopartiklar och nanostrukturer11,12, 13,14.
Galvanisk förskjutning har använts i Pt-syre minskning katalysator utveckling med en mängd andra mallar, inklusive silver, koppar och kobolt nanostrukturer15,16,17. Syntes tekniken har också använts i nedfallet av andra metaller och har producerat elektrokatalysatorer för bränsleceller, elektrolysörer och elektrokemisk oxidation av alkoholer18,19,20, 21. Liknande protokoll kan också anpassas för syntesen av nanomaterial med ett bredare spektrum av elektrokemiska applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dessa protokoll har använts för att producera utökade yta elektrokatalysatorer med både hög ytor och specifika aktiviteter i syre reduktion reaktion8. Genom att sätta in Pt på nanostrukturerade mallar, nanotrådar undvek låg samordnade platser och minimera effekter partikel storlek, producera särskilda verksamheter mer än 12 gånger större än kol-stödda Pt nanopartiklar. Med galvanisk förskjutning som metoden syntes producerade också en ungefärlig beläggning på Ni mall<sup class=…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ekonomiskt stöd gavs av US Department of Energy, Office för energieffektivitet och förnybar energi under kontraktsnummer DE-AC36-08GO28308 till 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).
