Synthese van Platinum-nikkel Nanowires en optimalisatie voor zuurstof vermindering van prestaties
Summary
Het protocol beschrijft de synthese en de elektrochemische testen van platina-nikkel nanowires. Nanowires werden gesynthetiseerd door de galvanische verplaatsing van een nikkel nanowire sjabloon. Na synthese verwerking, met inbegrip van waterstof gloeien, zuur uitloging en zuurstof gloeien werden gebruikt voor het optimaliseren van nanowire prestaties en duurzaamheid in de reactie van de vermindering van zuurstof.
Abstract
Platina-nikkel (Pt-Ni) nanowires werden ontwikkeld als electrocatalysts van de brandstofcel, en werden geoptimaliseerd voor de prestaties en duurzaamheid in de reactie van de vermindering van zuurstof. Spontane galvanische verplaatsing werd gebruikt voor het storten van Pt lagen op Ni nanowire substraten. De aanpak van de synthese geproduceerd katalysatoren met hoge specifieke activiteiten en hoge Pt oppervlakten. Waterstof gloeien verbeterd Pt en Ni mengen en specifieke activiteiten. Zuur uitloging werd gebruikt om bij voorkeur Ni in de buurt van het oppervlak van de nanowire, en zuurstof gloeien werd gebruikt om te stabiliseren in de buurt van het oppervlak Ni, verbetering van de duurzaamheid en het minimaliseren van Ni ontbinding. Deze protocollen detail de optimalisatie van elke stap na synthese verwerking, met inbegrip van waterstof gloeien tot 250 ° C, blootstelling aan 0,1 M salpeterzuur en zuurstof gloeien tot 175 ° C. Door deze stappen, Pt-Ni nanowires geproduceerd verhoogde activiteiten meer dan een orde van grootte dan Pt nanodeeltjes, terwijl het aanbieden van belangrijke duurzaamheid verbeteringen. De gepresenteerde protocollen zijn gebaseerd op Pt-Ni systemen in de ontwikkeling van katalysatoren van de brandstofcel. Deze technieken zijn ook gebruikt voor een verscheidenheid van metalen combinaties, en kunnen worden toegepast voor de ontwikkeling van katalysatoren voor een aantal elektrochemische processen.
Introduction
Proton uitwisseling membraan brandstofcellen zijn gedeeltelijk beperkt door de hoeveelheid en de kosten van platina in de katalysator-laag, die kan goed zijn voor de helft van de brandstofcel kosten1vereist. Brandstofcellen, zijn nanomaterialen doorgaans ontwikkeld als zuurstof vermindering van katalysatoren, aangezien de reactie kinetisch langzamer dan waterstof oxidatie. Koolstof-ondersteunde Pt nanodeeltjes worden vaak gebruikt als zuurstof vermindering van electrocatalysts als gevolg van hun hoge oppervlakte; echter ze hebben specifieke selectieve activiteit en zijn gevoelig voor duurzaamheid verliezen.
Uitgebreide dunne films bieden potentiële voordelen voor nanodeeltjes door het aanpakken van deze beperkingen. Uitgebreide Pt oppervlakken meestal produceren van specifieke activiteiten een orde van grootte groter dan nanodeeltjes, door minder actief facetten en deeltje grootte effecten te beperken, en hebben aangetoond dat duurzaam onder potentieel fietsen2,3 , 4. terwijl in uitgebreide oppervlakte electrocatalysts hoge massa activiteiten zijn bereikt, zijn verbeteringen doorgevoerd hoofdzakelijk door stijgingen in specifieke activiteit en het type katalysator heeft is beperkt tot Pt met een lage oppervlakte (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontane galvanische verplaatsing combineert de aspecten van corrosie en electrodeposition6. Het proces is over het algemeen beheerst door de standaard redox-mogelijkheden van de twee metalen, en de afzetting treedt gewoonlijk op wanneer de metalen catie meer reactief dan de sjabloon is. De verplaatsing heeft de neiging voor de productie van nanostructuren die overeenkomen met de morfologie van de sjabloon. Door het toepassen van deze techniek te uitgebreide nanostructuren, kunnen Pt gebaseerde katalysatoren worden gevormd die van de hoge specifieke zuurstof vermindering van activiteit van uitgebreide dunne lagen profiteren. Door gedeeltelijke verplaatsing, kleine hoeveelheden van Pt zijn neergelegd, en materialen met hoge oppervlaktes (> 90 m2 gPt-1)7,8hebben geproduceerd.
Deze protocollen betrekken waterstof gloeien Meng Pt en Ni zones te verbeteren van zuurstof vermindering van activiteit. Een aantal studies hebben theoretisch opgericht het mechanisme en experimenteel bevestigd een legerings effect in vermindering van de zuurstof van de Pt. Modelleren en Pt-OH en Pt-O binding aan zuurstof vermindering van activiteit te correleren suggereren dat Pt kan worden verbeterd door middel van lattice compressie9,10. Pt legeringen met kleinere overgangsmetalen heeft bevestigd dat dit voordeel, en Pt-Ni is onderzocht in een aantal vormen, met inbegrip van polykristallijne, gefacetteerd elektroden, nanodeeltjes en nanostructuren11,12, 13,14.
Galvanische verplaatsing is gebruikt in de Pt-zuurstof reductie katalysator ontwikkeling met een verscheidenheid van andere sjablonen, waaronder zilver, koper en kobalt nanostructuren15,16,17. De synthese techniek is ook gebruikt in de afzetting van andere metalen en heeft electrocatalysts voor brandstofcellen, electrolyse en de elektrochemische oxidatie van alcoholen18,19,20, 21. Soortgelijke protocollen kunnen ook worden aangepast voor de synthese van nanomaterialen met een breder scala van elektrochemische toepassingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze protocollen zijn gebruikt voor de productie van uitgebreide oppervlakte electrocatalysts met zowel hoge oppervlakten en specifieke activiteiten in het zuurstof reductie reactie8. Door het storten van Pt naar nanostructured sjablonen, de nanowires vermeden lage gecoördineerde sites en Minimaliseer deeltje grootte effecten, specifieke activiteiten meer dan 12 keer groter is dan koolstof-ondersteunde Pt nanodeeltjes produceren. Met behulp van galvanische verplaatsing als de synthese aanpak prod…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiële steun werd voorzien door de US Department of Energy, Office van energie-efficiëntie en hernieuwbare energie onder contractnummer DE-AC36-08GO28308 naar 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
- 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).
