백 금-니켈 나노 와이어 및 산소 감소 성능 최적화의 합성
Summary
프로토콜 합성 및 전기 백 금-니켈 나노 와이어의 테스트에 대해 설명 합니다. 나노 와이어 니켈 나노와이어 템플릿의 동전기 변위에 의해 합성 되었다. 이후 합성 처리, 수소 어 닐 링을 포함 하 여, 산 침 출, 및 산소 어 닐 링 나노와이어 성능 및 내구성 산소 감소 반응에서 최적화를 사용 되었다.
Abstract
백 금-니켈 (Pt-Ni) 나노 와이어 연료 전지 electrocatalysts로 개발 되었다 그리고 성능 및 내구성 산소 감소 반응에 최적화 했다. 자발적인 동전기 변위 Ni 나노와이어 기판에 Pt 층을 예금 하 사용 되었다. 합성 접근 높은 특정 활동 및 높은 Pt 표면 영역 촉매 생산. 수소 어 닐 링 Pt 및 Ni 혼합 및 특정 활동 개선. 나노와이어 표면 근처에 Ni를 우선적으로 제거 하는 데 사용 했다 산 성 침 그리고 안정 표면 근처 Ni, 내구성 향상 및 Ni 해산을 최소화 하는 데 사용 했다 산소 어 닐 링. 이러한 프로토콜 세부 각 후 합성 처리 단계, 수소는 250 ℃, 0.1 M 질 산에 노출 및 산소는 175 ° c.에 어 닐 링 열 처리 등의 최적화 이러한 단계를 통해 Pt-Ni 나노 와이어는 중요 한 내구성 향상을 제공 하면서 Pt 나노 입자 보다 크기 순서 보다는 더 증가 활동을 생산. 제시 프로토콜 Pt-Ni 시스템 연료 전지 촉매의 개발에서을 기반으로 합니다. 이 기술 또한 다양 한 금속 조합에 대 한 사용 되었습니다 그리고 전기 화학 프로세스의 수에 대 한 촉매 개발에 적용할 수 있습니다.
Introduction
양성자 교환 막 연료 전지는 부분적으로 금액 및 백 금 연료 전지 비용1의 절반에 대 한 계정 수 있습니다 촉매 층에 필요한 비용에 의해 제한 됩니다. 연료 전지, 나노 재료는 일반적으로 개발 산소 감소 촉매, 반응 수소 산화 보다 네 느립니다 때문. Pt 나노 탄소 지원 산소 감소 electrocatalysts 때문에 높은 그들의 표면적으로 자주 사용 그러나, 그들은 특정 선택적 활동 하 고 내 구성 손실 하는 경향이 있다.
확장 된 박막 이러한 한계를 해결 하 여 나노 입자에 잠재적인 혜택을 제공 합니다. 확장 태평양 표준시 일반적으로 덜 활성화 측면 및 입자 크기 효과 제한 하 여 특정 활동에 나노 입자, 보다 큰 크기 순서 생성 표면과 잠재력2,3 자전거에서 튼튼한 것으로 표시 되었습니다. , 4. 높은 대량 활동 확장된 표면 electrocatalysts 달성 되었습니다 동안 향상 되었습니다 주로 증가 통해 특정 활동에 촉매 종류는 낮은 표면적 (10 m2 g와 Pt에 제한 되어 Pt -1) 3 , 4 , 5.
자발적인 동전기 변위 부식 및 electrodeposition6의 측면을 결합합니다. 과정은 일반적으로 2 개의 금속의 표준 산화 환 원 잠재력을 받습니다 그리고 증 착은 일반적으로 금속 양이온 서식 파일 보다 더 반응 할 때 발생 합니다. 변위 서식 파일 형태와 일치 하는 nanostructures를 생성 해 경향이 있다. 이 기술이 확장된 nanostructures를 적용 하 여 Pt 기반 촉매 수 형성 될 확장된 박막의 높은 특정 산소 감소 활동을 활용 하는. 부분 변위를 통해 작은 양의 Pt 입금 되었습니다, 그리고 높은 표면 지역 (> 90 m2 gPt-1)7,8재료 생산.
이러한 프로토콜 Pt 및 Ni 영역 혼합 산소 감소 활동을 개선 하는 어 닐 링 하는 수소를 포함 한다. 연구의 수는 이론적 메커니즘을 설립 하 고 Pt 산소 감소에서 합금 효과 실험적으로 확인. 모델링 및 산소 감소 활동을 오 Pt 및 Pt-O 바인딩 연관 Pt 개선 격자 압축9,10통해 만들 수 있습니다 하는 것이 좋습니다. 이 혜택을 확인 했습니다 작은 전환 금속 Pt를 합금 및 Pt-Ni는 다양 한 형태, 다 결정, 면처리된 전극, 나노 입자, 및 nanostructures11,12, 를 포함 하 여 조사 13,14.
동전기 변위는 실버, 구리 및 코발트 nanostructures15,,1617를 포함 하 여 다른 서식 파일의 다양 한 Pt 산소 감소 촉매 개발에 사용 되었다. 합성 기술은 다른 금속 증 착에도 사용 되 고 연료 전지, electrolyzers, 및 알콜18,,1920의 전기 화학적 산화에 대 한 electrocatalysts를 생산 하고있다 21. 유사한 프로토콜 또한 전기 애플 리 케이 션의 넓은 범위와 나노 재료의 합성에 대 한 적응 될 수 있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이러한 프로토콜 확장된 표면 electrocatalysts 높은 표면 지역와 산소 감소 반응8에 특정 활동을 생산 하기 위해 사용 되었습니다. Nanostructured 서식 파일에 태평양 표준시를 놓음으로써는 나노 와이어 낮은 조정된 사이트 피해 고 입자 크기 효과, 특정 활동 탄소 지원 Pt 나노 입자 보다 12 배 큰 생산을 최소화 합니다. 합성 접근 방식으로 갈 바 변위를 사용 하 여 Ni 템플릿<sup class="xref"…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
재정 지원 NREL에 계약 번호 드-AC36-08GO28308는 미국 에너지 부, 에너지 효율의 사무실 및 신 재생 에너지에 의해 제공 했다.
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).
