Síntese de nanofios de níquel e platina e otimização de desempenho de redução do oxigênio
Summary
O protocolo descreve a síntese e ensaios eletroquímicos de nanofios de níquel e platina. Nanofios foram sintetizados pelo deslocamento galvânico de um modelo de nanofios de níquel. Pós-síntese de processamento, incluindo hidrogênio recozimento, lixiviação ácida e recozimento de oxigênio foram usados para otimizar o desempenho de nanofios e durabilidade na reação de redução do oxigênio.
Abstract
Nanofios de níquel e platina (Pt-Ni) foram desenvolvidos como electrocatalysts de célula de combustível e foram otimizados para o desempenho e a durabilidade na reação de redução do oxigênio. Deslocamento galvânico espontâneo foi usado para depositar camadas Pt para substratos de nanofios de Ni. A abordagem de síntese produzido catalisadores com altas actividades específicas e áreas de superfície de Pt altas. Recozimento de hidrogênio melhorada Pt e Ni mistura e específica atividade. Lixiviação ácida foi usado para remover preferencialmente Ni perto da superfície de nanofios e recozimento de oxigênio foi usado para estabilizar Ni perto da superfície, melhorando a durabilidade e minimizando a dissolução de Ni. Estes protocolos detalham a otimização de cada etapa de processamento pós-síntese, incluindo hidrogênio recozimento a 250 ° C, a exposição ao ácido nítrico 0,1 M e oxigênio recozimento a 175 ° C. Através desses passos, nanofios Pt-Ni produziram atividades aumentada mais do que uma ordem de magnitude do que Pt nanopartículas, oferecendo melhorias significativas de durabilidade. Os protocolos apresentados são baseados em sistemas de Pt-Ni no desenvolvimento de catalisadores de células a combustível. Estas técnicas também têm sido usadas para uma variedade de combinações de metal e podem ser aplicadas para desenvolver catalisadores para uma série de processos eletroquímicos.
Introduction
Células de combustível de membrana de troca próton parcialmente são limitadas pela quantidade e custo de platina necessária na camada de catalisador, que pode representar metade dos custos de célula de combustível1. Em células a combustível, nanomateriais normalmente são desenvolvidos como catalisadores de redução do oxigênio, uma vez que a reação é cineticamente mais lenta do que a oxidação do hidrogênio. Carbono-suporte Pt nanopartículas são frequentemente usadas como electrocatalysts de redução de oxigênio devido a sua elevada área superficial; no entanto, eles têm atividade seletiva específica e são propensos a perdas de durabilidade.
Filmes finos estendidos oferecem benefícios potenciais de nanopartículas, abordando estas limitações. Superfícies estendidas do Pt normalmente produzem atividades específicas de uma ordem de magnitude maior do que as nanopartículas, limitando as facetas menos ativas e efeitos de tamanho de partícula e foram mostradas para ser durável sob potencial ciclismo2,3 , 4. enquanto altas massa atividades foram alcançadas em electrocatalysts superfície estendida, melhorias foram feitas principalmente através de aumentos na atividade específica e o tipo de catalisador tem sido limitado a Pt com uma baixa área de superfície (10 m2 g Pt -1) 3 , 4 , 5.
Deslocamento de galvânico espontâneo combina os aspectos de corrosão e eletrodeposição6. O processo geralmente é regulado pelos potenciais redox padrão dos dois metais, e a deposição ocorre normalmente quando o cátion metálico é mais reativo do que o modelo. O deslocamento tende a produzir nanoestruturas que correspondem a morfologia do modelo. Aplicando esta técnica para nanoestruturas estendidas, catalisadores à base de Pt podem ser formadas que aproveitam a atividade de redução de oxigênio específica elevada de filmes finos estendidos. Através do deslocamento parcial, pequenas quantidades do Pt foram depositadas e produziram-se materiais com áreas de superfície elevada (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Estes protocolos envolvem hidrogênio recozimento para misturar zonas Pt e Ni e melhorar a atividade de redução de oxigênio. Vários estudos estabeleceram teoricamente o mecanismo e confirmada experimentalmente um efeito liga Pt redução de oxigênio. Modelagem e correlacionando a ligação Pt-OH e Pt-O para atividade de redução de oxigênio sugerem que o Pt melhorias podem ser feitas através da estrutura compressão9,10. Pt de liga com metais de transição menores confirmou este benefício, e Pt-Ni foi investigado em várias formas, incluindo policristalino, eletrodos facetados, nanopartículas e nanoestruturas11,12, 13,14.
Galvânico deslocamento tem sido utilizado no desenvolvimento de catalisador de redução Pt-oxigênio com uma variedade de outros modelos, incluindo prata, cobre e cobalto nanoestruturas15,16,17. A técnica de síntese tem também utilizou a deposição de outros metais e produziu electrocatalysts para células de combustível, aparelho de eletrolise e a oxidação eletroquímica de álcoois18,19,20, 21. Protocolos semelhantes também podem ser adaptados para a síntese de nanomateriais com uma ampla gama de aplicações de eletroquímicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Estes protocolos têm sido utilizados para produzir electrocatalysts superfície estendida com áreas de superfície elevadas e atividades específicas no de reação de redução do oxigênio8. Depositando o Pt para modelos nanoestruturados, os nanofios evitado baixas coordenadas sites e minimizar os efeitos de tamanho de partícula, produzindo mais de 12 vezes maiores que o carbono-suporte Pt nanopartículas de actividades específicas. Usando o deslocamento galvânico como a abordagem de sínte…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Apoio financeiro foi fornecido pelo departamento de energia dos EUA, escritório de eficiência energética e energias renováveis sob o número de contrato DE-AC36-08GO28308 de 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).
