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तैयारी और पतली फिल्म घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड विधि का उपयोग कर ईंधन सेल उत्प्रेरक के परीक्षण पर

Published: March 16, 2018 doi: 10.3791/57105
Automatic Translation
1, 1, 2, 1,2
1Nano-Science Center, Department of Chemistry, University of Copenhagen, 2Department of Chemistry and Biochemistry, University of Bern

Summary

तैयारी और परीक्षण पीटी/सी ईंधन सेल उत्प्रेरक reproducibility और सबसे अच्छा अभ्यास के संबंध में वैज्ञानिक समुदाय में सतत चर्चा के अधीन है । प्रस्तुत काम के साथ, हम एक कदम से कदम ट्यूटोरियल बनाने के लिए और पीटी/सी उत्प्रेरक है, जो उपंयास उत्प्रेरक प्रणालियों के लिए बेंचमार्क के रूप में सेवा कर सकते है परीक्षण वर्तमान का इरादा है ।

Abstract

हम एक कदम-दर-कदम ट्यूटोरियल पेश करने के लिए प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली ईंधन सेल (पीईएमएफसी) उत्प्रेरक, पीटी नैनोकणों (एनपीए) एक उच्च सतह क्षेत्र कार्बन पर समर्थित से मिलकर, और पतली फिल्म घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड (TF-रडे) में उनके प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए माप. TF-रडे कार्यप्रणाली उत्प्रेरक स्क्रीनिंग के लिए व्यापक रूप से प्रयोग किया जाता है; फिर भी, मापा प्रदर्शन काफी अनुसंधान समूहों के बीच अलग है । इन अनिश्चितताओं नए उत्प्रेरक सामग्री की उंनति में बाधा और, नतीजतन, कई लेखकों संभव सर्वोत्तम अभ्यास विधियों और बेंचमार्किंग के महत्व पर चर्चा की ।

दृश्य ट्यूटोरियल-पीटी/सी उत्प्रेरक के TF-रडे परीक्षण में संभावित नुकसान पर प्रकाश डाला गया । मानक पीटी/सी उत्प्रेरक का आकलन करने के लिए एक संश्लेषण और परीक्षण प्रोटोकॉल शुरू की है कि बेंचमार्क उत्प्रेरक के रूप में polycrystalline पीटी डिस्क के साथ एक साथ इस्तेमाल किया जा सकता है । विशेष रूप से, इस अध्ययन पर प्रकाश डाला गया कैसे कांची कार्बन पर उत्प्रेरक फिल्म के गुण (GC) इलेक्ट्रोड TF-रडे परीक्षण में मापा प्रदर्शन को प्रभावित. पतली, सजातीय उत्प्रेरक फिल्मों, न केवल उत्प्रेरक तैयारी प्राप्त करने के लिए, लेकिन यह भी स्याही जमाव और सुखाने प्रक्रियाओं आवश्यक हैं । यह प्रदर्शित किया जाता है कि स्याही के पीएच के एक समायोजन आवश्यक हो सकता है, और कैसे सरल नियंत्रण माप फिल्म की गुणवत्ता की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । एक बार reproducible TF-रडे माप प्राप्त कर रहे हैं, उत्प्रेरक समर्थन पर पीटी लोडिंग का निर्धारण (पीटी wt%) के रूप में व्यक्त की और विद्युत सतह क्षेत्र या तो सतह क्षेत्र या पीटी मास के लिए निर्धारित प्रतिक्रिया दरों को सामान्य करने के लिए आवश्यक है । सतह क्षेत्र निर्धारण के लिए, तथाकथित सह अलग करना, या हाइड्रोजन के संभावित जमाव (एचupd) प्रभारी का निर्धारण, मानक हैं । पीटी लोडिंग के निर्धारण के लिए, पीटी (II) और यूवी विज़ माप के बाद के रूपांतरण के साथ एक्वा regia में पाचन का उपयोग कर एक सीधी और सस्ती प्रक्रिया शुरू की है ।

Introduction

हवा या सौर शक्ति की तरह नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की बढ़ती उपयोग की क्षमता की दुकान और फिर से विद्युत ऊर्जा की बड़ी मात्रा में परिवर्तित करने की आवश्यकता है । इस संबंध में, रासायनिक ऊर्जा वाहक, हाइड्रोजन जैसे अनुप्रयोग, एक आशाजनक मार्ग1है । जल इलेक्ट्रोलिसिस अतिरिक्त विद्युत ऊर्जा से हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं, जबकि PEMFCs कुशलतापूर्वक पुनः हाइड्रोजन को बिजली में परिवर्तित करते हैं । हालांकि, बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों के लिए, जैसे ऑटोमोबाइल, कीमती समूह धातु (PGM) PEMFCs में सामग्री की जरूरत है काफी लागत कम करने के लिए कम करने के लिए । वैज्ञानिक साहित्य में, कई उत्प्रेरक प्रणालियों2 प्रस्तुत कर रहे हैं, जो TF-रडे हाफ सेल परीक्षण3के आधार पर इन आवश्यकताओं को पूरा करने की क्षमता प्रदर्शित करने के लिए सूचित कर रहे हैं ।

TF-रडे माप पीईएमएफसी अनुसंधान में बेहद लोकप्रिय हो गया और अब विभिन्न पीईएमएफसी उत्प्रेरक की तुलना करने के लिए एक मानक विधि के रूप में इस्तेमाल किया जाता है । हालांकि, इसी तरह के उत्प्रेरक, ऑक्सीजन में कमी प्रतिक्रिया (ओआरआर) गतिविधि या विद्युत सतह क्षेत्रों (ECSA) में महत्वपूर्ण अंतर अक्सर विभिंन अनुसंधान समूहों द्वारा सूचित कर रहे है4। एक परिणाम के रूप में, कई अनुसंधान समूहों प्रयोगात्मक प्रक्रियाओं में सुधार लाने और कैसे पीईएमएफसी उत्प्रेरक का परीक्षण करने के लिए सबसे अच्छा अभ्यास प्रक्रियाओं को परिभाषित करने पर काम किया5। सबसे पहले, उत्प्रेरक लदान, संदर्भ इलेक्ट्रोड, आईआर मुआवजा, से संदूषण आदि जैसे कारकों पर प्रकाश डाला गया6,7,8; जबकि, हाल के वर्षों में, प्रदर्शन पर उत्प्रेरक फिल्म के गुणों के प्रभाव9,10ध्यान में आया । उदाहरण के लिए, यह दिखाया जा सकता है कि दोनों ओआरआर गतिविधि और ECSA उत्प्रेरक स्याही संरचना है, जो बारी में कांच का कार्बन (जीसी) इलेक्ट्रोड सब्सट्रेट के रूप में इस्तेमाल पर उत्प्रेरक फिल्म की एकरूपता को प्रभावित करता है पर निर्भर करते हैं । उत्प्रेरक स्याही के लिए isopropanol के अलावा पर मापा पीटी सतह क्षेत्र में वृद्धि मनाया पहली नजर में विशेष रूप से आश्चर्य की बात है, लेकिन कार्बन समर्थन गीला के महत्व की ओर इन परिणामों बिंदु । एक अंय महत्वपूर्ण (और संबंधित) कारक जन परिवहन है । TF-रडे इलेक्ट्रोलाइट11,12,13में कम गैस घुलनशीलता के कारण कम वर्तमान घनत्व तक सीमित है । इसलिए, यह अक्सर माना जाता है कि इस तरह के अत्यंत पतली उत्प्रेरक परतों में (ca. 1 µm), प्रतिक्रियात्मक जन परिवहन एक सीमित भूमिका निभाता है । फिर भी, बहुत हाल ही में काम में, यह दिखाया गया है कि स्याही पीएच के समायोजन, घर में ओआरआर गतिविधि में काफी वृद्धि की ओर जाता है उत्प्रेरक14। इन उदाहरणों पर प्रकाश डाला कि TF-रडे माप में, सावधान नियंत्रण आवश्यक हैं, और है कि उत्प्रेरक पर निर्भर करता है, यह एक एकल मानक परीक्षण प्रोटोकॉल/नुस्खा परिभाषित करने के लिए मुश्किल हो सकता है ।

इसलिए, प्रस्तुत काम में, हम synthesizing के लिए एक कदम दर कदम प्रक्रिया पर चर्चा और एक मानक पीटी परीक्षण ईंधन सेल उत्प्रेरक/। प्रक्रिया उत्प्रेरक संश्लेषण, इसके लक्षण वर्णन, और स्याही तैयारी और समायोजन के रूप में के रूप में अच्छी तरह से विद्युत TF-रडे माप शामिल हैं । प्रक्रिया के प्रयोजन के लिए त्रुटियों और प्रयोगात्मक नुकसान के कुछ स्रोतों के विषय में चेतना बढ़ाने के रूप में अच्छी तरह के रूप में एक संभव पीटी के लिए एक नुस्खा प्रदान करने के लिए है/

Protocol

1. संश्लेषण 50 wt% पीटी/

  1. पीटी नैनोकणों (एनपीएस) का कोलाइडयन संश्लेषण
    1. 2 एनएम पीटी एनपीए का एक कोलाइडयन निलंबन प्राप्त करने के लिए, ईथीलीन ग्लाइकोल में 0.4 मीटर में NaOH के एक समाधान के 4 मिलीलीटर मिश्रण (eg) के साथ 4 एमएल के एच2PtCl6· 6H2ओ में 40 मिमी में एक माइक्रोवेव प्रतिक्रिया पोत में उदा ।
    2. माइक्रोवेव रिएक्टर के साथ 160 डिग्री सेल्सियस पर 3 मिनट के लिए मिश्रण गर्मी (गतिशील मोड, ताप शक्ति: 100 W, क्रियाशीलता: कम) ।
  2. कार्बन का समर्थन करता है पर पीटी एनपीएस के स्थिरीकरण
    1. 1 एम एचसीएल सॉल्यूशन की 30 मिलीलीटर कोलाइडयन पीटी एनपीएस का 7.3 एमएल के लिए जोड़ें । २,९०० x जी के एक रिश्तेदार केंद्रापसारक बल पर मिश्रण केंद्रापसारक (प्रति मिनट 5,000 घुमाव (rpm)) 5 मिनट के लिए और supernatant विलायक त्यागें । दोहराएं इन धुलाई/
      नोट: सभी रसायनों को एकत्र किया जाना चाहिए और स्थानीय संस्था पर नियमों के अनुसार का निपटारा ।
    2. एसीटोन के 7 मिलीलीटर में पीटी एनपीएस को फिर से फैलाएं । एसीटोन के 1 मिलीलीटर में कार्बन ब्लैक की 27.5 मिलीग्राम फैलाएं । दोनों एसीटोन फैलाव को मिलाएं और एसीटोन को रोटरी वाष्पन (40 डिग्री सेल्सियस, 200 mbar) या Schlenk लाइन (40 डिग्री सेल्सियस, 200 mbar) में पूरी तरह से सूख जाने तक वाष्पित कर लें ।
    3. रात में एक ओवन (120 डिग्री सेल्सियस) में प्राप्त पीटी/
    4. पीटी/सी उत्प्रेरक पाउडर और sonicate (35 kHz, 160 वाट) में यह एक अल्ट्रासोनिक स्नान ठंडे पानी से भरा (< 5 डिग्री सेल्सियस) के लिए 3 मिनट के लिए (di) पानी जोड़ें । फिल्टर कागज पर DI पानी के साथ उत्प्रेरक से धो लें और फिल्टर पेपर (4-7 µm) । एक वैक्यूम ओवन (100-120 ° c, 10 केपीए) में उत्प्रेरक पाउडर सूखी ।
      नोट: यह प्रक्रिया 50 के एक pt wt% के साथ एक pt/C उत्प्रेरक की 55 मिलीग्राम और एक पीटी कण आकार ca. 2 एनएम के लिए होता है । Pt/C उत्प्रेरक की बड़ी मात्रा तैयार करने के लिए, 1:1 के अनुपात में संबंधित राशियों को स्केल करें । पीटी एनपीएस की मात्रा को कार्बन ब्लैक से अलग करके, पीटी लोडिंग को महत्वपूर्ण एनपी ढेर के बिना 10 और 70-80 wt% के बीच समायोजित किया जा सकता है ।
    5. एक उत्प्रेरक स्याही बनाने के लिए, 6 मिलीलीटर DI पानी और isopropanol (आइपीए) के 2 मिलीलीटर के साथ 50 wt% पीटी/ 10 के आसपास होने के लिए स्याही का पीएच समायोजित करने के लिए 1 एम KOH समाधान (~ 10 µ एल) की एक छोटी राशि जोड़ें । यह 15 मिनट के लिए ठंडे पानी (< 5 डिग्री सेल्सियस) और sonicate (35 kHz, 160 वाट) के साथ भरा एक अल्ट्रासोनिक स्नान में मिश्रण युक्त गिलास शीशी प्लेस ।
      नोट: पहले से आइपीएस को न जोड़ें । यदि अल्कोहल को एक सूखे पीटी में जोड़ा जाता है, उत्प्रेरक आग पकड़ता है ।

2. पीटी एनपीए और पीटी का लक्षण वर्णन उत्प्रेरक/

  1. पीटी एनपीएस का संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (उनि) लक्षण वर्णन
    1. 1 एम एचसीएल सॉल्यूशन की 30 मिलीलीटर कोलाइडयन पीटी एनपीएस का 7.3 एमएल के लिए जोड़ें । २,९०० x जी के एक रिश्तेदार केंद्रापसारक बल पर मिश्रण केंद्रापसारक (प्रति मिनट 5,000 घुमाव (rpm)) 5 मिनट के लिए और supernatant विलायक त्यागें । दोहराएं इन धुलाई/
    2. एक बूंद (ca. 100 µ एल) पीटी NP निलंबन और फिर से इसे एसीटोन के 1 मिलीलीटर में फैलाने ले लो ।
    3. एक उनि ग्रिड पर पतला, फिर से फैलाया एनपीए की एक बूंद रखो (एक सामांय कार्बन फिल्म के साथ) एक फिल्टर कागज पर रखा करने के लिए अतिरिक्त विलायक अवशोषित और ग्रिड हवा में शुष्क करते हैं ।
    4. इमेजिंग द्वारा कण आकार वितरण का विश्लेषण करें ग्रिड के कम से 5 विभिंन क्षेत्रों में, कम से 3 विभिंन आवर्धन का उपयोग करते हुए (उदा, 100, 000X, 300, 000X, 400, 000X) । माइक्रोग्राफ के आकार (और उससे संबंधित आकार वितरण) के कम से 300 एनपीए के उपाय करें ।
  2. पीटी का उनि लक्षण वर्णन/
    1. उत्प्रेरक स्याही पतला (ऊपर वर्णित) दो बार 100% आइपीए के साथ । एक उनि ग्रिड पर पतला उत्प्रेरक स्याही की एक बूंद रखो (एक छेद या लेसी कार्बन फिल्म के साथ) एक फिल्टर कागज पर रखा के लिए विलायक से अधिक अवशोषित और ग्रिड हवा में शुष्क करते हैं ।
    2. इमेजिंग द्वारा कण आकार वितरण का विश्लेषण करें ग्रिड के कम से 5 विभिंन क्षेत्रों में, कम से 3 विभिंन आवर्धन का उपयोग करते हुए (उदा, 100, 000X, 300, 000X, 400, 000X) । माइक्रोग्राफ के आकार (और उससे संबंधित आकार वितरण) के कम से 300 एनपीए के उपाय करें ।
      नोट: बेहतर कंट्रास्ट के साथ उनि चित्र पीटी/सी उत्प्रेरक कणों, जो ग्रिड की एक कार्बन फिल्म के साथ ओवरलैप नहीं देख द्वारा प्राप्त कर रहे हैं । यह एक छेद या लेसी कार्बन यहां फिल्म के साथ उनि ग्रिड का उपयोग करने का लाभ है ।
  3. एक्वा regia द्वारा पीटी एनपीएस का पाचन
    1. एक वैक्यूम ओवन (80 ° c, 10 केपीए) रातोंरात में पीटी/ एक सिरेमिक क्रूसिबल में उत्प्रेरक पाउडर तौलना ।
    2. एक ओढ़ना फर्नेस (हवा, 900 डिग्री सेल्सियस, 30 मिनट) के क्रूसिबल में उत्प्रेरक पाउडर कार्बन समर्थन को जलाने के लिए गर्मी । क्रूसिबल पर एक ढक्कन रखो हीटिंग के दौरान उड़ने से उत्प्रेरक पाउडर को रोकने के लिए ।
    3. एक्वा regia के 4 मिलीलीटर जोड़ें (30% एचसीएल और 65% िनॉ के 3:1 के एक मात्रा के अनुपात में3 के मिश्रण) में क्रूसिबल और एक गर्म थाली पर ca पर मिश्रण गर्मी । 80 डिग्री सेल्सियस के लिए 2 एच.
      चेतावनी: एक्वा regia एक आक्रामक एसिड है और देखभाल के साथ नियंत्रित किया जाना चाहिए ।
    4. DI पानी के साथ 10 मिलीलीटर के लिए अंतिम मात्रा समायोजित करें ।
    5. एक्वा regia समाधान में एक inductively मिलकर प्लाज्मा-मास स्पेक्ट्रोमेट्री (आईसीपी-MS)15 या एक पराबैंगनी-दिखाई स्पेक्ट्रोस्कोपी (यूवी विज़, नीचे वर्णित) द्वारा पीटी की एकाग्रता का निर्धारण ।
  4. यूवी विज़ के माध्यम से पीटी लोडिंग का निर्धारण
    1. एक क्वार्ट्ज cuvette में 4 मीटर एचसीएल में तैयार 1 मीटर SnCl2 के 0.25 मिलीलीटर के साथ 2 एम एचसीएल के 0.75 एमएल का मिश्रण और एक्वा regia के नमूने में 1 मिलीलीटर डालें ।
    2. 2 एम एचसीएल के 1.75 मिलीलीटर के एक मिश्रण की यूवी विज़ स्पेक्ट्रम को मापने और 1 मीटर SnCl के 0.25 मिलीलीटर2 एक आधारभूत के रूप में 4 एम एचसीएल में ।
    3. नमूना मिश्रण (700 एनएम-350 एनएम) की यूवी विज़ स्पेक्ट्रम को मापने ।
    4. नमूना समाधान करने के लिए पीटी मानक समाधान (1,000 पीपीएम) के 5 µ एल जोड़ें, यह अच्छी तरह से हलचल, और यूवी की तुलना स्पेक्ट्रम को मापने । पीटी मानक समाधान और माप 4 बार के अलावा दोहराएँ ।
    5. अवशोषित 680 एनएम (बेसलाइन) पर अवशोषक से 402 एनएम (पीक शीर्ष) में, और यह जोड़ा पीटी की एकाग्रता के खिलाफ साजिश । एक्वा regia नमूना में पीटी की एकाग्रता का निर्धारण एक्स-अवरोधन से अंशांकन वक्र । । ।

3. घूर्णन डिस्क इलेक्ट्रोड (रडे) पीटी के माप/

  1. प्रकाश बिखरने माप के माध्यम से उत्प्रेरक स्याही का लक्षण वर्णन
    1. एक पीएच मीटर के साथ उत्प्रेरक स्याही के पीएच उपाय ।
    2. आइपीए/एच2O (1:3, v:v) मिश्रित विलायक जोड़कर 50 बार उत्प्रेरक स्याही को पतला करें । उत्प्रेरक स्याही का पीएच निरंतर रखने के लिए एसिड या आधार जोड़ें ।
    3. प्रकाश कैटरिंग डिवाइस के electrophoretic लाइट कैटरिंग (ELS)16 मोड का उपयोग करके 50X पतला नमूना के जीटा क्षमता को मापने ।
    4. प्रकाश कैटरिंग डिवाइस के डायनेमिक लाइट कैटरिंग (DLS)17 का उपयोग करके पतला नमूना में समुच्चय के आकार को मापने ।
  2. उत्प्रेरक तनु फिल्म निर्माण
    1. एक कांची कार्बन पोलिश (जीसी) डिस्क इलेक्ट्रोड (5 मिमी व्यास में) एल्यूमिना पेस्ट (पहले 0.3 µm, फिर 0.05 µm) का उपयोग कर समाप्त करने के लिए, और यह अल्ट्रासोनिक DI पानी में साफ ।
    2. पिपेट 10 µ जीपीटी सेमी-2की एक पीटी लोडिंग के लिए अग्रणी जीसी इलेक्ट्रोड पर उत्प्रेरक स्याही की एक 5 µ एल aliquot । एक bubbler में आइपीए और DI पानी (17:3, v:v) का एक मिश्रण के साथ एआर गैस प्रवाह humidified के तहत स्याही सूखी ।
      नोट: सुखाने हालत bubbler में आइपीए और DI पानी के बीच अनुपात बदलकर अनुकूलित किया जा सकता है ।
    3. की पुष्टि करें कि GC इलेक्ट्रोड की सतह समान रूप से एक सीसीडी कैमरा द्वारा उत्प्रेरक पतली फिल्म के साथ कवर किया जाता है ।
  3. विद्युत मापन
    1. एक विद्युत ग्लास या polytetrafluoroethylene (PTFE) सेल सभी विद्युत माप में एक तीन डिब्बे विंयास पर आधारित रोजगार । संशोधित GC डिस्क इलेक्ट्रोड का प्रयोग करें, प्लेटिनम मेष, और एक फंस हाइड्रोजन/संतृप्त calomel इलेक्ट्रोड (SCE) के रूप में काम कर इलेक्ट्रोड, एक काउंटर इलेक्ट्रोड, और एक संदर्भ इलेक्ट्रोड, क्रमशः.
      नोट: एक उप-डिब्बे का संदर्भ इलेक्ट्रोड के लिए कक्ष के एक मुख्य डिब्बे से एक perfluorinated झिल्ली (उदा, nafion झिल्ली) जब एक SCE क्लोराइड आयनों के प्रसार से बचने के लिए प्रयोग किया जाता है द्वारा अलग किया जा करने के लिए की जरूरत है ।
    2. कोशिका और घटकों को मिश्रित अम्ल में भिगोएं (H2तो4: िनॉ3 = 1:1, v:v) रातोंरात । बाद में, di पानी के साथ अच्छी तरह से सेल और अंय घटकों कुल्ला, और उंहें di पानी में दो बार फोड़ा ।
      नोट: प्रतिमाह एक बार मिश्रित अम्ल के साथ कक्ष को साफ करें (उपयोग की आवृत्ति के आधार पर).
      सावधानी: देखभाल के साथ मिश्रित एसिड संभाल । विद्युत प्रयोगों के बीच, फोड़ा और एक ढक्कन द्वारा कवर DI पानी में सेल रखें.
    3. विद्युत सेल में 0.1 M HClO4 इलेक्ट्रोलाइट समाधान डालो । 3 इलेक्ट्रोड (कार्य इलेक्ट्रोड, काउंटर इलेक्ट्रोड और संदर्भ इलेक्ट्रोड) कक्ष के प्रत्येक डिब्बे में रखें, और potentiostat करने के लिए इलेक्ट्रोड कनेक्ट करें ।
    4. काम इलेक्ट्रोड और Luggin केशिका (आईआर ड्रॉप; ~ 30 Ω) के बीच इलेक्ट्रोलाइट में प्रतिरोध को मापने, और potentiostat के अनुरूप सकारात्मक प्रतिक्रिया योजना का उपयोग करके पूरे माप प्रक्रिया के दौरान यह क्षतिपूर्ति । परिणामस्वरूप प्रभावी समाधान प्रतिरोध से कम है 3 Ω ।
      नोट: potentiostat एक एनालॉग प्रतिक्रिया योजना नहीं है, तो एक सॉफ्टवेयर आधारित iR-ड्रॉप क्षतिपूर्ति लागू होते हैं ।
    5. संदर्भ इलेक्ट्रोड जांचना । एच2 गैस के साथ इलेक्ट्रोलाइट मिटा और 50 एमवी एस-1की स्कैन दर से क्षमता को स्कैन । जहां वर्तमान घनत्व 0 mA cm-2 के रूप में 0 वी बनाम प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (RHE) के बराबर है क्षमता का निर्धारण ।
    6. Ar गैस (ca. 0.3 L min-1) के साथ इलेक्ट्रोलाइट पर्ज. एक स्थिर चक्रीय voltammogram (~ 50 चक्र) मनाया जाता है जब तक 0.05 और 1.20 v के बीच संभावित चक्र द्वारा 0.05 v s-1, की एक स्कैन दर पर साफ उत्प्रेरक ।
    7. पृष्ठभूमि माप करते हैं ।
      1. एक चक्रीय voltammogram (CV) एक पृष्ठभूमि माप के रूप में रिकॉर्ड । Ar गैस (ca. 0.3 L min-1) के साथ इलेक्ट्रोलाइट पर्ज. 0.05 और 1.10 v के बीच की क्षमता को 0.05 v s-1की स्कैन दर पर स्वीप करें ।
    8. ओआरआर गतिविधि माप निष्पादित करें ।
      1. ओ2-पर्ज इलेक्ट्रोलाइट (ca. 0.3 L min-1) में एक चक्रीय voltammogram रिकॉर्ड. 0.05 v s-1 और 1,600 rpm के रोटेशन की गति की एक स्कैन दर पर 0.05 और 1.10 वी के बीच क्षमता स्वीप ।
    9. प्रदर्शन सह ट्रिपिंग voltammetry.
      1. एक सह पर्ज (ca. 0.3 l min-1) के दौरान 0.05 V पर काम कर इलेक्ट्रोड 5 मिनट के लिए इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एक Ar पर्ज करें के बाद पकड़ (सीए. 0.3 l min-1) के लिए 10 मिनट. तत्पश्चात 0.05 वी से 1.10 v तक की क्षमता को 0.05 v s-1की स्कैन दर पर स्वीप करें ।
        चेतावनी: यदि कं गैस के उपयोग की अनुमति है की जांच करें; यदि हां, तो यह काम एक धुएं डाकू और सुरक्षा उपायों में किया जाना चाहिए का पालन करने की जरूरत है ।
    10. विद्युत माप के बाद, पानी के साथ गीला कागज पर इलेक्ट्रोड दबाकर एक टिशू पेपर पर GC इलेक्ट्रोड पर उत्प्रेरक फिल्मों हस्तांतरण और हस्तांतरित उत्प्रेरक फिल्मों की तस्वीर ।
  4. डेटा विश्लेषण
    1. सह ऑक्सीकरण पीक के प्रभारी क्यूसह से उत्प्रेरक के विद्युत सतह क्षेत्र (ECSA) की गणना, खाते में स्कैन गति, पीटी लोड हो रहा है, और 390 µC सेमी के एक रूपांतरण गुणांक का उपयोग कर Equation 1 -2Pt (दो इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया) 6.
      नोट: वैकल्पिक रूप से, ECSA का परिकलित किया जा सकता है hupd (Qh) एक चक्रीय voltammogram के क्षेत्र में दर्ज की गई Ar-पर्ज इलेक्ट्रोलाइट में 195 µC cm-2Pt (एक इलेक्ट्रॉन प्रक्रिया) के रूपांतरण गुणांक का उपयोग कर ।
      Equation 2
      Equation 3
    2. O2-पर्ज इलेक्ट्रोलाइट में दर्ज voltammogram से Ar-पर्ज इलेक्ट्रोलाइट में दर्ज चक्रीय voltammogram को घटा कर nonfaradaic पृष्ठभूमि को सुधारें । निर्धारित ओआरआर काइनेटिक वर्तमान घनत्व, जंमूकश्मीर, anodic सही voltammogram और Koutecky-Levich समीकरण के स्कैन का उपयोग कर:
      Equation 4
      नोट: यहां जंमू और जंमूडी वर्तमान घनत्व, क्रमशः सीमित मापा वर्तमान घनत्व और प्रसार के प्रतिनिधि हैं ।

Representative Results

पीटी एनपीएस का गहरा भूरा, कोलाइडयन निलंबन प्रोटोकॉल अनुभाग 1.1 (चित्र 1, बाएं) से प्राप्त किया गया है । कोलाइडयन निलंबन इतना स्थिर है कि यह 1 महीने से अधिक के लिए किसी भी वर्षा के बिना संग्रहीत किया जा सकता है । बड़ा पीटी एनपीएस18NaOH एकाग्रता को कम करके संश्लेषित कर रहे हैं । हालांकि, कोलाइडयन सस्पेंशन NaOH एकाग्रता कम करके स्थिर हो जाता है । एक अति उदाहरण के रूप में, पूरी तरह से agglomerated पीटी एनपीएस प्राप्त कर रहे हैं जब पीटी अग्रदूत NaOH (चित्रा 1, सही) के बिना उदा में गर्म है.

Figure 1
चित्र 1: पीटी एनपीएस के कोलाइडयन सस्पेंशन का फोटोग्राफ उदा. छोड़ा) अच्छी तरह से फैला हुआ पीटी एनपीए प्रोटोकॉल 1.1 का पालन करके प्राप्त किया गया । सही) Agglomerated पीटी एनपीएस NaOH बिना उदा में पीटी अग्रदूत हीटिंग द्वारा प्राप्त की ।

अच्छी तरह से फैलाया Pt/C उत्प्रेरक प्रोटोकॉल अनुभाग 1.2 से प्राप्त की है, के रूप में चित्रा 2aमें दिखाया गया है । जब एक कम स्थिर कोलाइडयन निलंबन, उदा, बड़ा पीटी एनपीएस का उपयोग किया जाता है, कार्बन समर्थन पर पीटी एनपीएस का महत्वपूर्ण ढेर (चित्र बीसी) देखा जा सकता है ।

Figure 2
चित्रा 2:50 wt के उनि छवियों.% Pt/वालकैन उत्प्रेरक । (a) 2 एनएम पीटी एनपीएस कार्बन सपोर्ट्स पर अच्छी तरह से फैलाया जाता है । (ख) 4 एनएम पीटी एनपीएस कार्बन सपोर्ट्स पर agglomerated हैं ।

एक्वा regia (प्रोटोकॉल 2.4) में पीटी एकाग्रता के निर्धारण के लिए यूवी विज़ माप के प्रतिनिधि परिणाम आंकड़ा 3में दिखाया गया है । जब SnCl2 एक्वा regia नमूना में जोड़ा गया है, एक्वा regia में पीटी पीटी (चतुर्थ) से पीटी (द्वितीय) के लिए कम है, एक पीले रंग का समाधान करने के लिए अग्रणी । चित्र 3बी में स्पेक्ट्रा से प्राप्त अंशांकन वक्र है । इस अंशांकन वक्र से, नमूना मिश्रण में पीटी एकाग्रता 3.68 पीपीएम करने के लिए निर्धारित किया जाता है ।

Figure 3
चित्रा 3: एक्वा regia में पीटी एकाग्रता के निर्धारण के लिए यूवी विज़ माप के प्रतिनिधि परिणाम । (क) एक्वा regia नमूना की यूवी की तुलना स्पेक्ट्रा SnCl2 के साथ पहले और पीटी मानक समाधान जोड़ने के बाद (5-20 µ एल). (ख) अंशांकन में 402 एनएम के बीच अंतर की साजिश रचने और 680 एनएम में जोड़ा पीटी की एकाग्रता के खिलाफ अवशोषित द्वारा प्राप्त की वक्र । नमूना समाधान में पीटी एकाग्रता अंशांकन वक्र के एक्स-अवरोधन से निर्धारित होता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

4a-बी आंकड़े एक सजातीय उत्प्रेरक पतली एक GC इलेक्ट्रोड पर गढ़े फिल्म के प्रतिनिधि उदाहरण है 3.2 प्रोटोकॉल का पालन करके । जीसी इलेक्ट्रोड की पूरी सतह किसी भी महत्वपूर्ण ढेर के बिना समान रूप से उत्प्रेरक फिल्म द्वारा कवर किया जाता है । चित्र 4c-d ठेठ सजातीय उत्प्रेरक पतली हवा में उत्प्रेरक स्याही सुखाने द्वारा गढ़े फिल्मों रहे हैं । जीसी इलेक्ट्रोड के किनारे पर उत्प्रेरक agglomerates और एक तथाकथित कॉफी अंगूठी19रूपों ।

Figure 4
चित्रा 4: तस्वीरें और एक GC इलेक्ट्रोड पर गढ़े सजातीय और सजातीय उत्प्रेरक पतली फिल्म के SEM छवियों । (a, b) सजातीय उत्प्रेरक पतली प्रोटोकॉल का पालन करके गढ़े फिल्म । (c, d) एक "कॉफी की अंगूठी" हवा में उत्प्रेरक स्याही सुखाने के द्वारा गढ़े के साथ सजातीय उत्प्रेरक पतली फिल्म । (क) और (ग) उत्प्रेरक पतली फिल्मों की पूरी तस्वीरें हैं । (ख) और (घ), जीसी डिस्क के किनारे पर ली गई उत्प्रेरक तनु फिल्मों की SEM छवियां हैं ।

चित्रा 5 RHE (प्रोटोकॉल 3.3.5) के खिलाफ संदर्भ इलेक्ट्रोड क्षमता की अंशांकन के लिए एच2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में मापा एक चक्रीय voltammogram का एक उदाहरण है. संभावितों का औसत जहां वर्तमान घनत्व है 0 mA cm-2 दोनों सकारात्मक जा रहा स्कैन में और नकारात्मक जा स्कैन ' 0 V बनाम RHE ' के रूप में परिभाषित किया गया है ।

Figure 5
चित्रा 5: RHE के खिलाफ संभावित संदर्भ इलेक्ट्रोड के अंशांकन के लिए एच2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में चक्रीय voltammogram (50 एमवी एस-1, 1600 rpm). संभावितों का औसत जहां वर्तमान घनत्व है 0 mA cm-2 दोनों में सकारात्मक जा स्कैन और नकारात्मक जा स्कैन 0 V बनाम प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (RHE) के रूप में परिभाषित किया गया है (बिंदीदार लाल लाइनें देखें) ।

चित्रा 6 में दिखाया गया है voltammograms में एआर संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट और रैखिक स्वीप voltammograms (LSV) में चक्रीय है 50 wt% Pt/वालकैन मापन से प्राप्त रडे उत्प्रेरक (प्रोटोकॉल 3.3.7 और 3.3.8) के लिए2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट. प्रोटोकॉल चरण 3.4.6 में पर्याप्त सफाई चक्र के बाद, चित्रा 6a में लाल CV प्राप्त होता है । उत्प्रेरक पर्याप्त साफ नहीं है जब, 0.8 वी के आसपास पीटी ऑक्सीकरण चोटी के कंधे की तुलना में कम तेज है कि अच्छी तरह से साफ उत्प्रेरक (चित्रा 6a, ग्रे CV) । O2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में LSV की आकृति उत्प्रेरक तनु फिल्म (फिगर घमण्ड) की गुणवत्ता के प्रति अति संवेदनशील है । जब उत्प्रेरक पतली फिल्म चित्रा 4aमें की तरह सजातीय है, ओ2 प्रसार वर्तमान घनत्व सीमित (0.8 v नीचे) के आसपास मनाया जाता है-6 mA cm-2, और LSV वक्र के कंधे के आसपास 0.8 v तेज है (आंकड़ा घमण्ड, लाल) । दूसरी ओर, ओ2 प्रसार वर्तमान घनत्व सीमित छोटे है और LSV वक्र के कंधे कम तेज है जब उत्प्रेरक पतली फिल्म है, चित्र 4cके रूप में, या GC इलेक्ट्रोड की सतह के रूप में पूरी तरह से कवर नहीं है उत्प्रेरक तनु फिल्म ।

Figure 6
चित्रा 6: प्रतिनिधि उदाहरण के लिए "अच्छा" और "bad" voltammograms के लिए 50 wt% Pt/वालकैन उत्प्रेरक. (क) Ar संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में चक्रीय voltammograms (50 एमवी एस-1). (ख) में LSVs ओ2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट (1,600 rpm, 50 एमवी/एस, सकारात्मक जा स्कैन, पृष्ठभूमि घटाया, आईआर मुआवजा) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

चित्रा 7 में दिखाया गया है एक चक्रीय voltammogram एचupd क्षेत्र संकेत (एक) और एक सह अलग करना voltammogram के साथ अलग करना चार्ज संकेत के साथ Ar संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में दर्ज (बी) । दोनों माप एक 50 wt% पीटी/वालकैन उत्प्रेरक के लिए प्राप्त किया गया । चोटियों के अंतर्गत क्षेत्र से, पीटी सतह क्षेत्र (ECSA) की गणना की है, चरण 3.4.1 देखें.

Figure 7
चित्रा 7: प्रतिनिधि चक्रीय voltammogram (एक) और सह अलग करना voltammogram (बी) के लिए 50 wt% Pt/वालकैन उत्प्रेरक (50 एमवी एस-1). एचupd प्रभारी और सह ट्रिपिंग प्रभारी क्रमशः स्काई ब्लू और पिंक में प्रकाश डाला जाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

50 wt% Pt/वालकैन उत्प्रेरक (ECSA, ओआरआर विशिष्ट गतिविधि और जन गतिविधि के 0.9 VRHE) के रडे मापन के परिणाम तालिका 1में सारांशित किए जाते हैं । समान पीटी कण आकार और इसी तरह पीटी लोडिंग के साथ वाणिज्यिक पीटी के लिए परिणाम के रूप में अच्छी तरह से तालिका में दिखाए जाते हैं ।

पॉइंट कण आकार ECSA ओआरआर विशिष्ट गतिविधि ओआरआर जन गतिविधि
एनएम] [m2 जी-1Pt] [µA cm-2Pt] [A g-1Pt]
50 wt.% Pt/वालकैन 2 102 ± 3 852 ± 66 880 ± 82
46 wt.% Pt/C (TKK) 2-3 93 ± 3 738 ± 30 683 ± 31

तालिका 1:50 wt% pt/वालकैन उत्प्रेरक और वाणिज्यिक 46 wt% pt/C उत्प्रेरक के लिए TF-रडे माप के परिणामों का सारांश । मापा मान मानक विचलन के साथ दिखाए जाते हैं । ECSA = विद्युत सतह क्षेत्र, ओआरआर = ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया, TKK = तनाका Kikinzoku Kogyo.

Discussion

यह सर्वविदित है कि TF-रडे तकनीक द्वारा मापा उच्च सतह क्षेत्र उत्प्रेरक की ओआरआर गतिविधि उच्च उत्प्रेरक पतली फिल्म की एकरूपता पर निर्भर करता है6,9,10,14,19 . कई समूहों ने GC इलेक्ट्रोड और शोधकर्ताओं पर सजातीय उत्प्रेरक पतली फिल्मों के लिए निर्माण विधियों की सूचना दी है ध्यान से उनके सुखाने विधि जब इस अनुसंधान क्षेत्र में प्रवेश करने के लिए अनुकूलित करना चाहिए20। घूर्णन विधियों का उपयोग करना19 मोटा उत्प्रेरक फिल्मों की कोटिंग में और अधिक लचीलापन की अनुमति देता है, जबकि स्थिर तरीके लाभ है कि एकाधिक इलेक्ट्रोड एक ही समय में तैयार किया जा सकता है । एक स्टेशनरी सुखाने विधि का एक उदाहरण के रूप में, Shinozaki एट अल. हाल ही में बताया कि वर्दी उत्प्रेरक पतली फिल्मों एक आइपीएल वातावरण10में उत्प्रेरक स्याही सुखाने के द्वारा गढ़े हैं । इस प्रोटोकॉल में उत्प्रेरक पतली फिल्मों का निर्माण उनकी विधि पर आधारित है । हालांकि, उत्प्रेरक स्याही एक स्थिर वातावरण (प्रोटोकॉल 3.3.2) के बजाय एक humidified गैस प्रवाह में सूख रहे हैं । इस संशोधित विधि का लाभ यह है कि सुखाने की हालत आसानी से bubbler में आइपीए और पानी के बीच अनुपात बदलकर समायोजित किया जा सकता है । चित्रा 8 इंगित करता है कि उत्प्रेरक पतली फिल्म की एकरूपता humidification की हालत बदलकर अनुकूलित है ।

Figure 8
चित्र 8: विभिंन सुखाने की स्थिति के साथ जीसी इलेक्ट्रोड पर गढ़े उत्प्रेरक पतली फिल्म की तस्वीरें । isopropanol (आइपीए) और bubbler में एच2ओ के बीच का अनुपात सुखाने की स्थिति का अनुकूलन बदल गया था । (a) 100% आइपीएस, (b) 90% आइपीएस/10% एच2ओ, (c) 80% आइपीएस/20% एच2ओ, (d) 70% आइपीएस/30% एच2ओ. (ग) सबसे सजातीय उत्प्रेरक पतली फिल्म GC इलेक्ट्रोड पर निर्माण है के रूप में इस मामले में सबसे अच्छा सुखाने की स्थिति, सुविधाएँ. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

हम यह भी पाया कि उत्प्रेरक स्याही का पीएच सजातीय उत्प्रेरक पतली फिल्मों को प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया जा करने के लिए एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, के रूप में साहित्य में14की सूचना दी । चित्रा 9 अलग पीएच के साथ उत्प्रेरक स्याही की बदलती स्थिरता को दर्शाता है । चूंकि एचसीएल प्रोटोकॉल 1.3.3 में पीटी एनपीएस की धुलाई के लिए प्रयोग किया जाता है, इसलिए आमतौर पर उत्प्रेरक स्याही कोह के अलावा बिना अम्लीय हो जाती है । अंलीय उत्प्रेरक स्याही विशेष रूप से स्थिर नहीं है और पीटी/सी उत्प्रेरक कणों के सबसे नीचे 1 सप्ताह के लिए sonication के बाद बसा । तटस्थ स्याही अम्लीय स्याही की तुलना में अधिक स्थिर है, भले ही कुछ हाला नीचे में देखा जाता है । क्षारीय स्याही सबसे अधिक स्थिर है और कोई हाला 1 सप्ताह sonication के बाद देखा जाता है । उत्प्रेरक स्याही स्थिरता के इस पीएच निर्भरता जीटा क्षमता है, जो बढ़ती पीएच14के साथ बड़ा हो जाता है की भयावहता से समझाया गया है ।

Figure 9
चित्र 9: अलग पीएच के साथ उत्प्रेरक स्याही की तस्वीरें: (बाएँ) पीएच ≈ ४, (मध्य) पीएच ≈ ७, (दाएँ) पीएच ≈ १०. फोटो sonication के बाद 1 सप्ताह लिया जाता है । अम्लीय स्याही का फैलाव तटस्थ और क्षारीय स्याही की तुलना में काफी कम स्थिर होता है ।

न केवल उत्प्रेरक स्याही की स्थिरता, लेकिन यह भी प्राप्त उत्प्रेरक पतली फिल्म की एकरूपता उत्प्रेरक स्याही के पीएच पर निर्भर करता है । अत्यधिक agglomerated उत्प्रेरक पतली फिल्मों जब अंलीय स्याही का उपयोग किया जाता है प्राप्त कर रहे है (चित्रा 10a, डी) । हालांकि वहां कोई महत्वपूर्ण उत्प्रेरक पतली तटस्थ स्याही से गढ़े फिल्मों और क्षारीय स्याही से (चित्रा 10b, ग), SEM छवियां पता चलता है कि वहां उत्प्रेरक पतली फिल्म में कुछ agglomerates है के बीच आंख को दिखाई अंतर है तटस्थ स्याही से प्राप्त किया, जबकि कोई महत्वपूर्ण agglomerates alkaline स्याही से प्राप्त उत्प्रेरक पतली फिल्म में देखा जाता है (चित्रा 10e, एफ) ।

Figure 10
चित्र 10: उत्प्रेरक फिल्मों की तस्वीरें एक कागज पर स्थानांतरित (ए-सी) और SEM छवियों पर उत्प्रेरक फिल्मों के GC इलेक्ट्रोड (डी एफ). (a, d) उत्प्रेरक फिल्म अंलीय से गढ़े (पीएच ≈ 4) स्याही, (बी, ई) उत्प्रेरक तटस्थ (पीएच ≈ 7) स्याही से निर्मित फिल्म, और (सी, एफ) उत्प्रेरक क्षारीय (पीएच ≈ 10) स्याही से गढ़े फिल्म । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

उत्प्रेरक फिल्म की गुणवत्ता के अलावा, स्कैन दर4 और सेल प्रतिरोध का मुआवजा ओआरआर गतिविधि निर्धारण8को प्रभावित करता है । हमारे माप सेटअप में, iR के बिना सेल प्रतिरोध-मुआवजा आम तौर पर 30 के आसपास है Ω । यह potentiostat (चित्रा 11a, बी) के आईआर-मुआवजा का उपयोग करके 3 Ω से कम होने में कमी आई है । LSVs के साथ और आईआर-मुआवजा के बिना ओ2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में मापा चित्रा 11cमें तुलना कर रहे हैं । एक नजर संभावित सेल प्रतिरोध के कारण बदलाव के आसपास 0.9 VRHE, जहां ओआरआर गतिविधि का मूल्यांकन किया जाता है पर देखा जाता है । LSV के लिए एक स्कैन दर के रूप में, हम 50 एमवी एस-1चुना है, जबकि अन्य समूहों5 पसंद करते हैं 20 एमवी एस-1 और झिल्ली इलेक्ट्रोड विधानसभाओं (रहत) अक्सर स्थिर राज्य शर्तों के तहत4परीक्षण कर रहे हैं. आम तौर पर, यह TF-रडे अध्ययन के लिए कहा जा सकता है कि कम स्कैन दर, अधिक माप संभव संदूषणों के लिए अतिसंवेदनशील हो जाता है । विदेश मंत्रालय परीक्षण में, काफी अधिक धाराओं लागू कर रहे हैं । ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से, उच्च शक्ति प्रदर्शन विशेष रूप से21दिलचस्प है । स्कैनिंग क्षमता महत्वपूर्ण त्रुटियों के लिए नेतृत्व अगर कोई ऑनलाइन iR मुआवजा लागू किया जाता है ।

इन मतभेदों के कारण, TF-रडे मापन के आधार पर मेे प्रदर्शन की सीधी भविष्यवाणियों को सावधानी के साथ लिया जाना चाहिए । TF-रडे के लिए एक तेजी से विधि के रूप में देखा जाना चाहिए पीईएमएफसी उत्प्रेरक के आंतरिक ओआरआर गतिविधि परीक्षण स्क्रीन, बजाय मेे परीक्षण करने के लिए एक विकल्प ।

Figure 11
चित्र 11: आईआर के प्रभाव-माप पर क्षतिपूर्ति । (a, b) के साथ और आईआर-मुआवजा के बिना "EC4 DAQ" कार्यक्रम के इंटरफेस के स्क्रीनशॉट । (ग) LSVs आईआर-मुआवजा (लाल) के साथ ओ2 संतृप्त इलेक्ट्रोलाइट में मापा और आईआर के बिना मुआवजा (ग्रे) (50 एमवी एस-1, 1,600 rpm, वापस जमीन घटाया) । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

समग्र प्रक्रिया में संक्षेप है चित्र 12। चर्चा मानक लक्षण वर्णन विधियों के अलावा, प्राप्त कोलाइडयन पीटी एनपीएस निलंबन और पीटी/सी उत्प्रेरक भी अधिक उंनत तरीकों से जांच की जा सकती है जैसे छोटे कोण एक्स-रे कैटरिंग (SAXS)22 या एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी (XAS) 23.

Figure 12
चित्र 12: प्रायोगिक चरणों का अवलोकन. इस प्रोटोकॉल में प्रत्येक प्रयोगात्मक कदम के लिए इसी लक्षण वर्णन विधियों और नियंत्रणीय मापदंडों दिखाया जाता है । उनि = संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, SAXS = छोटे कोण एक्स-रे बिखरने, EXAFS = विस्तारित एक्स-रे अवशोषण ठीक संरचना, XANES = एक्स-रे अवशोषण ठीक संरचना, आईसीपी-MS = inductively युग्मित प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री, DLS = गतिशील प्रकाश बिखरने, सीसीडी = प्रभारी-युग्मित यंत्र, SEM = स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

J.Q. और एमए एक ब्लॉक वजीफा के रूप में Villum फाउंडेशन से समर्थन स्वीकार करते हैं । M.I. और एमए टोयोटा केंद्रीय अनुसंधान एवं विकास लैब्स से समर्थन स्वीकार करते हैं, Inc J.Q. यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम मैरी Skłodowska-क्यूरी अनुदान समझौते No ७०३३६६ के तहत से धन प्राप्त हुआ है ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ethylene glycol Sigma-Aldrich 293237-1L 99.8%
Sodium hydroxide Fisher Chemical AC134070010 98%
Hexachloroplatinic(IV) acid hexahydrate Alfa Aesar 11051 99.9%
Hydrochloric acid Merck 1003171000 37%
Nitric acid Any 60%
Sulfuric acid Any 96%
Perchloric acid Merck 1005170250 70%, Suprapur
Potassium hydroxide hydrate Merck 1050020500 99.995%, Suprapur
Tin(II) chloride dihydrate Sigma-Aldrich 31669-100G >98%
Platinum standard for AAS Sigma-Aldrich 47037-100ML 1000 mg/L ±4 mg/L
Acetone Alfa Aesar 30698 99.5+%
Isopropanol Alfa Aesar 36644 99.5%
Carbon black Cabot Vulcan XC 72R
46 wt.% Pt/C Tanaka Kikinzoku Kogyo TEC10E50E
Ar gas Air Liquide 99.999%
O2 gas Air Liquide 99.999%
CO gas Air Liquide 99.97%
H2 gas Air Liquide 99.999%
Microwave reactor CEM Discover SP
Centrifuge Corning 6759
Rotary evaporator KNF RC600
Ultrasonic bath Qualilab USR 54 H 35 kHz, 160/320 W
Filter paper Albet DP595 055 Retention rate 4-7 µm, φ55 mm
Crucible VWR 459-0202 12 mL
Lid for crucible VWR 459-0216 φ35 mm
pH meter VWR Symphony SP70P
Glass electrode (for pH meter) Mettler Toledo InLab Routine
Light scattering Anton Paar Litesizer
TEM microscope FEI Tecani Spirit
TEM grid Quantifoil N1-C73nCu20-01 Classic carbon film, Cu 200 mesh
TEM grid Quantifoil Classic holey carbon film, Cu 200 mesh
TEM grid Quantifoil N1-C74nCu20-01 Classic lacey carbon film, Cu 200 mesh
UV-vis spectrophotometer Varian CARY 5E
Saturated calomel electrode Schott B3510+
Perfluorinated membrane Fuel Cell Store 591239 Nafion 117
RDE rotator Raiometer Analytical EDI101
Potentiostat Nordic Electrochemisty ECi 200
Control and data acquisition program Nordic Electrochemisty EC4 DAQ
Data analysis program Nordic Electrochemisty EC4 VIEW

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References

  1. Stephens, I. E. L., Rossmeisl, J., Chorkendorff, I. Toward sustainable fuel cells. Science. 354 (6318), 1378-1379 (2016).
  2. Chen, C., et al. Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces. Science. 343 (6177), 1339-1343 (2014).
  3. Schmidt, T. J., et al. Characterization of high-surface area electrocatalysts using a rotating disk electrode configuration. J. Electrochem. Soc. 145 (7), 2354-2358 (1998).
  4. Gasteiger, H. A., Kocha, S. S., Sompalli, B., Wagner, F. T. Activity benchmarks and requirements for Pt, Pt-alloy, and non-Pt oxygen reduction catalysts for PEMFCs. Appl. Catal. B-Environm. 56 (1-2), 9-35 (2005).
  5. Kocha, S. S., et al. Best Practices and Testing Protocols for Benchmarking ORR Activities of Fuel Cell Electrocatalysts Using Rotating Disk Electrode. Electrocatalysis. 8 (4), 366-374 (2017).
  6. Mayrhofer, K. J. J., et al. Measurement of oxygen reduction activities via the rotating disc electrode method: From Pt model surfaces to carbon-supported high surface area catalysts. Electrochim. Acta. 53 (7), 3181-3188 (2008).
  7. Mayrhofer, K. J. J., Ashton, S. J., Kreuzer, J., Arenz, M. An Electrochemical Cell Configuration Incorporating an Ion Conducting Membrane Separator between Reference and Working Electrode. Intern. J. Electrochem. Sci. 4 (1), 1-8 (2009).
  8. Nesselberger, M., et al. The Particle Size Effect on the Oxygen Reduction Reaction Activity of Pt Catalysts: Influence of Electrolyte and Relation to Single Crystal Models. J. Am. Chem. Soc. 133 (43), 17428-17433 (2011).
  9. Ke, K., Hiroshima, K., Kamitaka, Y., Hatanaka, T., Morimoto, Y. An accurate evaluation for the activity of nano-sized electrocatalysts by a thin-film rotating disk electrode: Oxygen reduction on Pt/C. Electrochim. Acta. 72, 120-128 (2012).
  10. Shinozaki, K., Zack, J. W., Richards, R. M., Pivovar, B. S., Kocha, S. S. Oxygen Reduction Reaction Measurements on Platinum Electrocatalysts Utilizing Rotating Disk Electrode Technique. J. Electrochem. Soc. 162 (10), F1144-F1158 (2015).
  11. Zalitis, C. M., Sharman, J., Wright, E., Kucernak, A. R. Properties of the hydrogen oxidation reaction on Pt/C catalysts at optimised high mass transport conditions and its relevance to the anode reaction in PEFCs and cathode reactions in electrolysers. Electrochim. Acta. 176, 763-776 (2015).
  12. Wiberg, G. K. H., Fleige, M. J., Arenz, M. Design and test of a flexible electrochemical setup for measurements in aqueous electrolyte solutions at elevated temperature and pressure. Rev. Sci. Instr. 85 (8), 085105 (2014).
  13. Wiberg, G. K. H., Fleige, M., Arenz, M. Gas diffusion electrode setup for catalyst testing in concentrated phosphoric acid at elevated temperatures. R Rev. Sci. Instr. 86 (2), 024102 (2015).
  14. Inaba, M., Quinson, J., Arenz, M. pH matters: The influence of the catalyst ink on the oxygen reduction activity determined in thin film rotating disk electrode measurements. J. Power Sources. 353, 19-27 (2017).
  15. Cherevko, S., et al. Dissolution of Platinum in the Operational Range of Fuel Cells. ChemElectroChem. 2 (10), 1471-1478 (2015).
  16. Ware, B. R. Electrophoretic light scattering. Adv. Colloid Interface Sci. 4 (1), 1-44 (1974).
  17. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering, with applications to Chemistry, Biology and Physics. , Dover Publication Inc. (2000).
  18. Baranova, E. A., Bock, C., Ilin, D., Wang, D., MacDougall, B. Infrared spectroscopy on size-controlled synthesized Pt-based nano-catalysts. Surf. Sci. 600 (17), 3502-3511 (2006).
  19. Garsany, Y., Singer, I. L., Swider-Lyons, K. E. Impact of film drying procedures on RDE characterization of Pt/VC electrocatalysts. J. of Electroanal. Chem. 662 (2), 396-406 (2011).
  20. Garsany, Y., Baturina, O. A., Swider-Lyons, K. E., Kocha, S. S. Experimental Methods for Quantifying the Activity of Platinum Electrocatalysts for the Oxygen Reduction Reaction. Anal. Chem. 82 (15), (2010).
  21. Kongkanand, A., Mathias, M. F. The Priority and Challenge of High-Power Performance of Low-Platinum Proton-Exchange Membrane Fuel Cells. J. Phys. Chem. Lett. 7 (7), 1127-1137 (2016).
  22. Speder, J., et al. Pt based PEMFC catalysts prepared from colloidal particle suspensions - a toolbox for model studies. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (10), 3602-3608 (2013).
  23. Neumann, S., et al. Nanoparticles in a box: a concept to isolate, store and re-use colloidal surfactant-free precious metal nanoparticles. J. Mat. Chem. A. 5 (13), 6140-6145 (2017).

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