Syntese av Platinum-nikkel Nanowires og optimalisering for oksygen ytelse
Summary
Protokollen beskriver syntese og elektrokjemiske testing av platinum-nikkel nanowires. Nanowires ble syntetisert av galvanisk forskyvning av nikkel nanowire mal. Etter syntese behandling, inkludert hydrogen annealing, acid utvasking og oksygen annealing ble brukt til å optimalisere nanowire ytelse og holdbarhet oksygen reduksjon reaksjon.
Abstract
Platina-nikkel (Pt-Ni) nanowires ble utviklet som brenselcelle electrocatalysts, og var optimalisert for ytelse og holdbarhet oksygen reduksjon reaksjon. Spontan galvanic forskyvning ble brukt til å sette inn Pt lag på Ni nanowire underlag. Syntese tilnærming produsert katalysatorer med høy bestemte aktiviteter og høy Pt flater. Hydrogen annealing forbedret Pt og Ni miksing og spesifikk bruk. Acid utvasking var pleide fjerne fortrinnsvis Ni nær nanowire overflaten og oksygen annealing ble brukt til å stabilisere nær overflaten Ni, bedre holdbarhet og minimere Ni oppløsning. Disse protokollene detalj optimalisering av hver post syntese behandlingstrinnet, inkludert hydrogen annealing til 250 ° C, eksponering for 0.1 M salpetersyre, og oksygen annealing til 175 ° C. Gjennom disse trinnene produsert Pt-Ni nanowires økt aktiviteter mer enn en størrelsesorden enn Pt nanopartikler, samtidig som betydelig holdbarhet forbedringer. Presentert protokollene er basert på Pt-Ni systemer i utviklingen av brenselcelle katalysatorer. Disse teknikkene har også blitt brukt for en rekke metall, og kan brukes for å utvikle katalysatorer for en rekke elektrokjemiske prosesser.
Introduction
Proton exchange membran brenselceller er delvis begrenset av mengden og kostnaden av platinum kreves i catalyst laget, som kan utgjøre halvparten av brenselcelle kostnader1. I brenselceller, er nanomaterialer vanligvis utviklet som oksygen reduksjon katalysatorer, siden reaksjonen er kinetically tregere enn hydrogen oksidering. Karbon-støttet Pt nanopartikler brukes ofte som oksygen reduksjon electrocatalysts på grunn av deres høye areal; men de har selektive aktiviteten og er utsatt for holdbarhet tap.
Utvidet tynne filmer tilby potensielle fordeler for nanopartikler ved å ta disse begrensningene. Utvidet Pt overflater vanligvis produserer bestemte aktiviteter en størrelsesorden større enn nanopartikler, ved å begrense mindre aktive fasetter og partikkeleffekter størrelse, og har vist seg å være holdbare under potensial sykling2,3 , 4. mens høy masse aktiviteter har blitt oppnådd i utvidet overflate electrocatalysts forbedringer har blitt gjort primært gjennom øker i aktiviteten og hvilken katalysator har vært begrenset til Pt med et lite område (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontan galvanic forskyvning kombinerer aspekter av korrosjon og elektrodeposisjon6. Prosessen er vanligvis underlagt standard redoks potensialet av to metaller og avsetning oppstår vanligvis når det metall kation er mer reaktiv enn malen. Forskyvning tendens til å produsere nanostrukturer som samsvarer med malen morfologi. Bruker denne teknikken utvidet nanostrukturer, kan Pt-baserte katalysatorer dannes som drar nytte av høy bestemt oksygen reduksjon aktiviteten til utvidet tynne filmer. Gjennom delvis fortrengning, små mengder Pt har blitt satt, og har produsert materiale med høy flater (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Disse protokollene innebære hydrogen annealing å blande Pt og Ni soner og forbedre oksygen reduksjon aktivitet. En rekke studier har etablert mekanismen teoretisk og eksperimentelt bekreftet en sveiseavsettet effekt i Pt oksygen reduksjon. Modellering og samkjøre Pt-OH og Pt-O binding til oksygen reduksjon aktivitet tyder på at Pt forbedringer kan gjøres gjennom gitter komprimering9,10. Alloying Pt med mindre overgang metall har bekreftet denne fordelen, og Pt-Ni har blitt undersøkt i en rekke former, inkludert polycrystalline, fasetterte elektroder, nanopartikler og nanostrukturer11,12, 13,14.
Galvanisk forskyvning er brukt i Pt oksygen reduksjon katalysator utvikling med en rekke andre maler, deriblant sølv, kobber, og cobalt nanostrukturer15,16,17. Syntese teknikken er også brukt i avsetning av andre metaller og har produsert electrocatalysts for brenselceller, electrolyzers og elektrokjemiske oksidasjon av alkohol18,19,20, 21. Like protokoller kan også tilpasses for syntese av nanomaterialer med et bredere spekter av elektrokjemiske programmer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Disse protokollene har blitt brukt til å produsere utvidet overflate electrocatalysts med både høy flater og spesifikke aktiviteter i oksygen reduksjon reaksjon8. Ved innskudd Pt på nanostructured maler, nanowires unngår lav koordinert nettsteder og minimere størrelsen partikkeleffekter, produsere spesifikke aktiviteter mer enn 12 ganger større enn karbon-støttet Pt nanopartikler. Bruke galvanic forskyvning som syntese tilnærmingen også produsert en omtrentlig belegg på Ni mal<sup class…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Økonomisk støtte ble gitt av US Department of Energy, Office av energieffektivisering og fornybar energi under kontraktnummeret 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 |
Referências
- 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).
