Síntesis de nanocables de platino y níquel y optimización de rendimiento de reducción de oxígeno
Summary
El protocolo describe la síntesis y el ensayo electroquímico de nanocables de platino y níquel. Se sintetizaron nanohilos por el desplazamiento galvánico de una plantilla de nanocable de níquel. Procesamiento posterior síntesis, incluyendo hidrógeno recocido, lixiviación ácido y oxígeno recocido utilizaron para optimizar el rendimiento de nanocable y durabilidad en la reacción de reducción de oxígeno.
Abstract
Nanocables de níquel Platinum (Pt-Ni) se desarrollaron como electrocatalizadores de pila de combustible y fueron optimizados para el rendimiento y la durabilidad en la reacción de reducción de oxígeno. Desplazamiento galvánico espontánea fue utilizado para depositar capas de Pt en sustratos, Ni nanocable. El enfoque de síntesis produce catalizadores con actividades específicas de alto y altas áreas superficiales de Pt. Recocido de hidrógeno mejora Pt y Ni actividad de mezcla y específica. Lixiviación ácida fue utilizado para quitar preferencial Ni cerca de la superficie de nanocable, y recocido de oxígeno se utilizó para estabilizar Ni cerca de la superficie, mejorando la durabilidad y minimizar disolución Ni. Estos protocolos de detalle la optimización de cada paso de proceso de la síntesis, incluyendo hidrógeno recocido a 250 ° C, la exposición a ácido nítrico de 0,1 M y oxígeno recocido a 175 ° C. A través de estos pasos, nanohilos de Pt-Ni producen actividades aumento más de un orden de magnitud que las nanopartículas de Pt, al tiempo que ofrece mejoras significativas de la durabilidad. Los protocolos actuales se basan en sistemas de Pt-Ni en el desarrollo de catalizadores de célula de combustible. Estas técnicas también se han utilizado para una variedad de combinaciones de metal y pueden ser aplicadas para el desarrollo de catalizadores para un número de procesos electroquímicos.
Introduction
Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones están parcialmente limitadas por la cantidad y el coste del platino en la capa de catalizador, que puede explicar por medio de la pila de combustible cuesta1. En celdas de combustible, nanomateriales se desarrollan típicamente como catalizadores de reducción de oxígeno, ya que la reacción es cinéticamente más lenta que la oxidación de hidrógeno. Basadas en carbono nanopartículas de Pt se utilizan a menudo como electrocatalizadores de reducción de oxígeno debido a su alta área superficial; sin embargo, tienen actividad selectiva específica y son propensos a las pérdidas de la durabilidad.
Películas delgadas extendidas ofrecen beneficios potenciales a nanopartículas abordando estas limitaciones. Extendida Pt superficies normalmente producen actividades específicas en un orden de magnitud mayor que las nanopartículas, limitando las facetas menos activas y efectos de tamaño de partículas y ha demostrado ser durable bajo potencial ciclismo2,3 , 4. actividades de masa alto se han logrado en electrocatalizadores de superficie extendida, mejoras se han hecho principalmente a través de aumentos en la actividad específica y el tipo de catalizador se ha limitado a Pt con una baja superficie (10 m2 g Pinta -1) 3 , 4 , 5.
Espontáneo desplazamiento galvánico combina los aspectos de la corrosión y electrodeposición6. El proceso se rige generalmente por los potenciales redox estándar de los dos metales, y la deposición ocurre típicamente cuando el metal es más reactivo que la plantilla. El desplazamiento tiende a producir nanoestructuras que coinciden con la morfología de la plantilla. Aplicando esta técnica a nanoestructuras extendido, se pueden formar catalizadores de Pt que se aprovechan de la actividad de reducción de oxígeno específico de películas delgadas extendidas. A través de desplazamientos parciales, pequeñas cantidades de Pt se han depositado y han producido materiales con superficies alta (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Estos protocolos incluyen hidrógeno recocido para zonas de Pt y Ni la mezcla y mejorar la actividad de reducción de oxígeno. Un número de estudios ha establecido teóricamente el mecanismo y confirmada experimentalmente un efecto de aleación Pt reducción de oxígeno. Modelado y correlacionar enlace OH Pt y Pt-O a la actividad de reducción de oxígeno sugieren que pueden introducirse mejoras de Pt a través del enrejado de la compresión9,10. Pt de aleación con metales de transición más pequeños ha confirmado este beneficio, y Pt-Ni se ha investigado en un número de formas, incluyendo policristalino, electrodos tallados, nanopartículas y nanoestructuras11,12, 13,14.
Desplazamiento galvánico se ha utilizado en el desarrollo de catalizador de reducción de oxígeno Pt con una variedad de otras plantillas, como plata, cobre y cobalto nanoestructuras15,16,17. La técnica de síntesis también se ha utilizado en la deposición de otros metales y ha producido electrocatalizadores para celdas de combustible, electrolizadores y la oxidación electroquímica de alcoholes18,19,20, 21. También se pueden adaptar protocolos similares para la síntesis de nanomateriales con una amplia gama de aplicaciones de la electroquímicas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Estos protocolos se han utilizado para producir electrocatalizadores de superficie extendida con superficies altas y actividades específicas en la reducción de oxígeno reacción8. Depositando en plantillas nanoestructurados Pt los nanohilos evitar sitios coordinados bajo y minimizan los efectos de tamaño de partículas, produciendo más de 12 veces mayores que el apoyo de carbono nanopartículas de Pt de actividades específicas. Usando el desplazamiento galvánico como el enfoque de síntesis…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ayuda financiera fue proporcionada por el Departamento de energía de Estados Unidos, oficina de eficiencia energética y energía renovable bajo contrato número AC36-DE-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 |
References
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