Name: 铂镍纳米线的合成及减氧性能优化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 2 s
Description: 学习铂镍纳米线的合成方法，通过电化学置换和氢气退火等后处理工艺优化其氧还原反应性能，降低燃料电池催化剂成本并提升耐久性。

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本研究获得了美国能源部能源效率与可再生能源办公室根据合同号 DE-AC36-08GO28308 向美国国家可再生能源实验室（NREL）提供的财政支持。

1. 铂-镍纳米线的合成
<ol>
	<li>开始置换过程时，将镍纳米线模板悬浮于水中并加热至 90 °C。
	<ol>
		<li>将 40 mg 商业可得的镍纳米线加入装有 20 mL 去离子水的 50 mL 离心管中，超声处理 5 分钟。 
		&#8203;注意：纳米线直径约为 150–250 nm，长度为 100–200 µm。</li>
		<li>将悬浮的纳米线转移至 250 mL 玻璃圆底烧瓶中，并加入 60 mL 去离子水。将烧瓶置于矿物油浴中加热至 90 °C。使用连接在玻璃轴和电动搅拌器上的聚四氟乙烯桨叶以 500 rpm 搅拌反应混合物。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过自发性伽伐尼置换反应形成 Pt-Ni 纳米线。
	<ol>
		<li>将 8.1 mg 四氯铂酸钾溶于 15 mL 去离子水中。将该溶液加入一支 20 mL 注射器中，注射器出口连接约 8 cm 长、直径为 0.318 cm 的聚氨酯管。将注射器置于自动注射泵中，并设定流速为 1 mL/min。</li>
		<li>启动注射泵，使溶液在 15 分钟内缓慢加入圆底烧瓶中。在 90 °C 下继续加热反应体系 2 小时。</li>
		<li>以 2,500 × g 离心 15 分钟，倾去上清液至废液收集系统中。使用新鲜溶液（根据要求使用水或 2-丙醇）通过浴式超声重新分散沉淀物（约 10 秒）。再次离心并弃去上清液。先用去离子水洗涤三次，再用 2-丙醇洗涤一次。</li>
		<li>将 Pt-Ni 纳米线在 40 °C 真空烘箱中干燥过夜（约 16 小时）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）检测成分组成。
注意：催化剂组成为 7.3 ± 0.3 wt. % Pt。
<ol>
	<li>在室温下用 10 mL 王水消化 1 mg 样品，过夜。</li>
	<li>将消化液稀释至 200、20 和 2 ppb 浓度，稀释液的基质应匹配为 1.5% 盐酸和 0.5% 硝酸。
	<ol>
		<li>制备 200 ppb 溶液：将 20 µL 消化液加入 9.98 mL 储备液（1.5% 盐酸和 0.5% 硝酸）中；制备 20 ppb 溶液：将 2 µL 消化液加入 10.00 mL 储备液（1.5% 盐酸和 0.5% 硝酸）中；制备 2 ppb 溶液：将 0.2 µL 消化液加入 10.00 mL 储备液（1.5% 盐酸和 0.5% 硝酸）中。使用 0.4 µm 聚四氟乙烯滤膜过滤各稀释液。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 铂-镍纳米线的退火与酸浸后处理过程。
<ol>
	<li>对合成的 Pt-Ni 纳米线进行氢气退火处理。</li>
	<li>将全部纳米线样品加入管式炉中，并对反应管抽真空过夜。 
	&#8203;注意：由于在管式炉中高温下使用了气体（氢气、氧气），需考虑安全事项。管路与气体连接部分的设计应确保装置能够承受真空以及运行过程中 500 Torr 的背压。管路出口应连接至排气系统，整个炉体应置于通向排风管道的密闭 enclosure 中。
	<ol>
		<li>以 500 Torr 的背压向管内通入低流速氢气。</li>
		<li>以 10 °C/min 的升温速率将样品加热至 250 °C，并保持 2 小时。</li>
		<li>让样品自然冷却至室温。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对氢气退火后的 Pt-Ni 纳米线进行酸浸处理。
	<ol>
		<li>将 25 mg 纳米线加入 20 mL 去离子水中，进行浴式超声处理。将悬浮的纳米线转移至 100 mL 圆底烧瓶中。</li>
		<li>向烧瓶中加入室温稀硝酸（将 25 mL 0.2 M 硝酸加入 25 mL 水/纳米线悬浮液中），使烧瓶内总体积达到 50 mL，硝酸浓度为 0.1 M，并振荡烧瓶以确保浓度均匀。硝酸需一次性全部加入。</li>
		<li>将烧瓶连接至 Schlenk 线。开启真空泵抽气 10 分钟后关闭真空阀。缓慢向系统中通入氮气，使反应在室温下继续进行 2 小时。随后将烧瓶从 Schlenk 线上取下，并按照步骤 1.2.3 所述方法洗涤产物。</li>
		<li>使用 ICP-MS 检测成分，铂的质量分数应为 15.2 ± 0.3 wt. %。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对酸浸处理后的 Pt-Ni 纳米线进行氧气退火处理。
	<ol>
		<li>将纳米线加入商用管式炉中，并对反应管抽真空过夜。</li>
		<li>以 500 Torr 的背压向管内通入低流速氧气。</li>
		<li>以 10 °C/min 的升温速率将样品加热至 175 °C，并保持 2 小时。</li>
		<li>让样品自然冷却至室温。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 在旋转圆盘电极（RDE）半电池中对纳米线进行电化学表征8
<ol>
	<li>包覆玻璃碳工作电极。
	<ol>
		<li>将含有 73 µg 铂的催化剂加入到 20 mL 闪烁瓶中的 7.6 mL 去离子水中，然后加入 2.4 mL 异丙醇。该瓶内混合物随后称为“油墨”。将油墨冰浴 5 分钟，然后加入 10 µL 商业可得的离聚物。 
		注：对于未经处理的合成催化剂和氢气退火催化剂，应使用 1 mg（7.3 wt. % Pt）；对于酸浸出和氧气退火催化剂，应使用 480 µg（15.2 wt. % Pt）。</li>
		<li>在冰浴中对油墨进行超声处理，先使用探头超声 30 秒，然后水浴超声 20 分钟，再使用探头超声 30 秒。将 7.5 mL 油墨加入 0.5 mg 石墨化碳纳米纤维中。</li>
		<li>再次在冰浴中超声处理油墨，先使用探头超声 30 秒，然后水浴超声 20 分钟，再使用探头超声 30 秒。用移液器将 10 µL 油墨滴加到玻璃碳工作电极（外径 5 mm）上，电极倒置并以 100 rpm 旋转。滴加油墨后，将转速提高至 700 rpm。</li>
		<li>在电极干燥的同时再次超声处理油墨（30 秒探头，20 分钟水浴，30 秒探头），并再向电极上滴加一次油墨（10 µL）。继续涂覆过程，使载量达到 1.9 µg cmelec-2，共五次 10 µL 油墨滴加。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>组装旋转圆盘电极（RDE）测试系统。
	<ol>
		<li>将玻璃器皿在浓硫酸中浸泡过夜，然后在一种商业可得的铬酸替代品中再浸泡过夜。用去离子水煮沸八次。通过连接工作电极、对电极和参比电极至主测试池来组装玻璃器皿。 
		注：RDE 半电池采用三电极构型。工作电极和对电极分别为玻璃碳和铂网。参比电极为可逆氢电极（RHE），由一根铂丝置于玻璃鼓泡器中，并使用 0.1 M 高氯酸电解质。</li>
		<li>用 0.1 M 高氯酸填充 RDE 半电池。将工作电极连接至商业可得的调速控制器，并将工作电极尖端浸入溶液中。</li>
		<li>使用商业可得的电化学工作站进行电化学测量。用氮气吹扫电解液至少 7 分钟。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测定电化学活性表面积。
	<ol>
		<li>将参数输入电化学工作站制造商提供的自动循环伏安法文件中。设置循环次数为 50 次，扫描速率为 100 mV s-1，下限电位为 0.025 V，上限电位为 1.4 V。运行循环伏安法程序后弃去电解液。重新加入 0.1 M 高氯酸，并用一氧化碳吹扫。</li>
		<li>将参数输入电化学工作站制造商提供的自动恒电位保持文件中。设置电位为 0.1 V，时间为 20 分钟，并将工作电极以 2,500 rpm 旋转。运行恒电位保持程序：在程序前 10 分钟内用一氧化碳吹扫；在后 10 分钟内用氮气吹扫。在保持阶段最后 30 秒，关闭电极旋转，并将鼓泡器设置为覆盖电解液表面。</li>
		<li>将参数输入电化学工作站制造商提供的自动循环伏安法文件中。设置循环次数为 3 次，扫描速率为 20 mV s-1，起始电位为 0.1 V，下限电位为 0.025 V，上限电位为 1.2 V。运行循环伏安法程序。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测定氧还原极化曲线。
	<ol>
		<li>在工作电极以 2,500 rpm 旋转的条件下，用氧气吹扫电解液至少 7 分钟。</li>
		<li>将氧气吹扫设置为覆盖电解液表面，并将工作电极转速降至 1,600 rpm。</li>
		<li>将参数输入电化学工作站制造商提供的自动线性扫描伏安法文件中。设置循环次数为 10 次，扫描速率为 20 mV s-1，起始电位为 -0.1 V，终止电位为 1.05 V。运行线性扫描伏安法程序。弃去电解液。</li>
		<li>重新加入 0.1 M 高氯酸，并用氧气吹扫至少 7 分钟。重复运行步骤 4.4.3 中使用的线性扫描伏安法程序。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>进行耐久性测试。
	<ol>
		<li>在工作电极以 2,500 rpm 旋转的同时，用氮气吹扫电解液。将氮气吹扫设置为覆盖电解液表面，并停止工作电极旋转。</li>
		<li>将参数输入电化学工作站制造商提供的自动循环伏安法文件中。设置循环次数为 30,000 次，扫描速率为 500 mV s-1，下限电位为 0.6 V，上限电位为 1.0 V。运行循环伏安法程序。</li>
		<li>耐久性测试完成后，按照步骤 4.3 和 4.4 提供的方案，测定电化学活性表面积和氧还原极化曲线。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Papageorgopoulos, D. U.S. Department of Energy. , Available from: 
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<li>Alia, S. M., Yan, Y. S., Pivovar, B. S. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c4cy00736k/unauth#!divAbstract">Galvanic displacement as a route to highly active and durable extended surface electrocatalysts.</a> Cat. Sci. Tech. 4 (10), 3589-3600 (2014).</li>
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<li>Sha, Y., Yu, T. H., Merinov, B. V., Shirvanian, P., Goddard, W. A. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp303966u">Mechanism for Oxygen Reduction Reaction on Pt3Ni Alloy Fuel Cell Cathode.</a> J. Phys. Chem. C. 116 (40), 21334-21342 (2012).</li>
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<li>Stamenkovic, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changing+the+activity+of+electrocatalysts+for+oxygen+reduction+by+tuning+the+surface+electronic+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chem%22%5BJournal%5D)">Changing the activity of electrocatalysts for oxygen reduction by tuning the surface electronic structure.</a> Angew. Chem. 118 (18), 2963-2967 (2006).</li>
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<li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+Crystalline+Multimetallic+Nanoframes+with+Three-Dimensional+Electrocatalytic+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces.</a> Science. 343 (6177), 1339-1343 (2014).</li>
<li>Alia, S., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201001035/abstract">Porous Platinum Nanotubes for Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Reactions.</a> Adv. Funct. Mater. 20 (21), 3742-3746 (2010).</li>
<li>Alia, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs300664g">Platinum Coated Copper Nanowires and Platinum Nanotubes as Oxygen Reduction Electrocatalysts.</a> ACS Cat. 3 (3), 358-362 (2013).</li>
<li>Alia, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs500370q">Platinum-Coated Cobalt Nanowires as Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts.</a> ACS Cat. 4 (8), 2680-2686 (2014).</li>
<li>Alia, S. M., Duong, K., Liu, T., Jensen, K., Yan, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Palladium+and+Gold+Nanotubes+as+Oxygen+Reduction+Reaction+and+Alcohol+Oxidation+Reaction+Catalysts+in+Base%5BTitle%5D)+AND+%22ChemSusChem%22%5BJournal%5D)">Palladium and Gold Nanotubes as Oxygen Reduction Reaction and Alcohol Oxidation Reaction Catalysts in Base.</a> ChemSusChem. , (2014).</li>
<li>Xu, H. U.S. Department of Energy. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/pd103_xu_2014_o.pdf">http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/pd103_xu_2014_o.pdf</a> (2014).</li>
<li>Xu, H. U.S. Department of Energy. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/pd103_xu_2015_o.pdf">http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/pd103_xu_2015_o.pdf</a> (2015).</li>
<li>Alia, S. M., Pylypenko, S., Neyerlin, K. C., Kocha, S. S., Pivovar, B. S. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/162/12/F1299.full">Platinum Nickel Nanowires as Methanol Oxidation Electrocatalysts.</a> J. Electrochem. Soc. 162 (12), 1299-1304 (2015).</li>
<li>Alia, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/163/3/F296.full">Oxidation of Platinum Nickel Nanowires to Improve Durability of Oxygen-Reducing Electrocatalysts.</a> J. Electrochem. Soc. 163 (3), 296-301 (2016).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

这些方案已被用于制备在氧还原反应中具有高比表面积和高本征活性的扩展表面电催化剂8。通过在纳米结构模板上沉积Pt，所得纳米线避免了低配位点的形成，并最小化了颗粒尺寸效应，其本征活性超过碳载Pt纳米粒子的12倍以上。采用置换沉积法作为合成策略，还可实现Ni模板上的近似完全包覆7。在Pt置换程度较低的情况下，该过程获得的电化学比表面积超过90 m2 gPt-1，这是扩展表面催化剂领域的一项重要突破。
需要进行氢气退火以提高性能8。升高温度退火可提高氧还原比活性，这归因于铂晶格压缩导致铂-氧化学吸附减弱所产生的合金效应9,10。尽管氢气退火步骤提高了初始活性，但高耐久性以及镍溶出损失仍令人担忧。因此采用酸浸出和氧气退火以尽量减少这些损失。优化后的Pt-Ni纳米线在氧还...

质子交换膜燃料电池在一定程度上受限于催化剂层所需铂的用量及其成本，这部分成本可占燃料电池总成本的一半1。在燃料电池中，通常将纳米材料开发为氧还原催化剂，因为该反应的动力学速度比氢氧化反应更慢。负载在碳载体上的铂纳米颗粒常被用作氧还原电催化剂，因其具有较高的比表面积；然而，这类催化剂的比活性有限，且易发生耐久性下降。
扩展的薄膜结构通过克服这些局限性，为纳米颗粒提供了潜在的优势。扩展的Pt表面通常表现出比纳米颗粒高出一个数量级的比活性，这得益于对活性较低晶面和颗粒尺寸效应的限制，并且已被证明在电位循环条件下具有良好的耐久性2,3,4。尽管在扩展表面电催化剂中已实现了较高的质量活性，但性能的提升主要来源于比活性的提高，且催化剂类型仍局限于具有低比表面积（10 m2 gPt-1）的Pt材料3,4,5。
自发的伽伐尼置换结合了腐蚀和电沉积的特点6。该过程通常由两种金属的标准氧化还原电位决定，当金属阳离子比模板更活泼时，通常会发生沉积。这种置换倾向于生成与模板形貌相匹配的纳米结构。将该技术应用于扩展型纳米结构，可制备出基于铂的催化剂，利用扩展薄膜的高比氧还原活性。通过部分置换，已实现少量铂的沉积，并制得具有高比表面积（&#62; 90 m2 gPt-1）的材料7,8。
这些方案涉及通过氢气退火使铂（Pt）和镍（Ni）区域混合，从而提高氧还原活性。已有大量研究从理论上阐明了该机制，并通过实验验证了铂在氧还原反应中的合金化效应。对铂-羟基（Pt-OH）和铂-氧（Pt-O）吸附能与氧还原活性之间的建模与关联分析表明，通过晶格压缩可提升铂的催化性能9,10。将铂与较小的过渡金属形成合金已证实具有此类优势，其中铂-镍（Pt-Ni）体系已被广泛研究，涵盖多晶材料、晶面电极、纳米颗粒及纳米结构等多种形式11,12,13,14。
置换沉积法已被用于多种其他模板的铂氧还原催化剂开发，包括银、铜和钴纳米结构15,16,17。该合成技术还被用于其他金属的沉积，并已制备出用于燃料电池、电解槽以及醇类电化学氧化的电催化剂18,19,20,21。类似的方法也可经调整后用于合成具有更广泛电化学应用的纳米材料。

<table><tbody><tr><td>镍纳米线</td><td>Plasmachem GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>250 mL 圆底烧瓶</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>加热板</td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>矿物油</td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>四氯铂酸钾</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>注射泵</td><td>New Era Pump Systems</td><td></td><td></td></tr><tr><td>旋转器</td><td>Arrow Engineering</td><td></td><td></td></tr><tr><td>聚四氟乙烯桨叶</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>玻璃轴</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>分体铰链管式炉</td><td>Lindberg</td><td></td><td>Customized in-house</td></tr><tr><td>施兰克线</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>冷凝器</td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>硝酸</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2-丙醇</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>纳菲昂离子聚合物（5 wt. %）</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>玻碳工作电极</td><td>Pine Instrument Company</td><td></td><td></td></tr><tr><td>RDE 玻璃器皿</td><td>Precision Glassblowing</td><td></td><td>Customized in-house</td></tr><tr><td>铂丝</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>Customized in-house</td></tr><tr><td>铂网</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>Customized in-house</td></tr><tr><td>MSR 旋转器</td><td>Pine Instrument Company</td><td></td><td></td></tr><tr><td>恒电位仪</td><td>Metrohm Autolab</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

铂镍纳米线的合成及其氧还原性能优化

Synthesis of Platinum-nickel Nanowires and Optimization for Oxygen Reduction Performance

铂镍（Pt-Ni）纳米线被开发为燃料电池电催化剂，并针对氧还原反应中的性能和耐久性进行了优化。采用自发置换反应将铂层沉积到镍纳米线基底上。该合成方法制备出具有高比活性和高铂表面面积的催化剂。氢气退火处理改善了铂与镍的混合程度及比活性。酸浸处理用于选择性去除纳米线表面附近的镍，而氧气退火则用于稳定近表面的镍，从而提高耐久性并最小化镍的溶出。这些方案详细描述了每一步合成后处理工艺的优化过程，包括在250 °C下进行氢气退火、暴露于0.1 M硝酸溶液以及在175 °C下进行氧气退火。通过这些步骤制得的Pt-Ni纳米线，其催化活性比铂纳米颗粒高出一个数量级以上，同时显著提升了耐久性。所介绍的实验方案基于Pt-Ni体系在燃料电池催化剂开发中的应用。这些技术也可用于多种金属组合，并可拓展应用于多种电化学过程催化剂的研制。

使用指定用量的Pt前驱体通过自发置换反应在Ni纳米线上沉积Pt，可制得Pt含量为7.3 wt. %的Pt-Ni纳米线（图1 和 图2A）。可能需要对Pt前驱体的用量进行适当调整，以达到最佳的Pt负载量。Pt的置换反应对Ni表面氧化层的厚度较为敏感，而氧化层厚度可能因模板存放时间（暴露于空气中）及上游工艺波动而有所变化22。然而，催化剂的组成对于实现高催化活性至关重要，因此采用ICP-MS检测以确保获得最优组成。本文已附旋转圆盘电极（RDE）测试方案，遵循这些测试流程对于验证合成与处理参数的正确性至关重要。在该组成（7.3 wt. % Pt）下，催化剂表现出最高的氧还原质量活性7。Pt沉积量过高会导致电化学活性表面积降低，归因于Pt利用率下降以及较厚Pt层的形成（图2<...

&#160; 该方案描述了铂-镍纳米线的合成及其电化学性能测试。纳米线通过镍纳米线模板的置换沉积反应合成。合成后的处理步骤包括氢气退火、酸浸和氧气退火，以优化纳米线在氧还原反应中的性能和耐久性。

铂镍（Pt-Ni）纳米线被开发用作燃料电池电催化剂，并针对氧还原反应中的性能和耐久性进行了优化……

本实验的总体目标是制备基于铂的扩展表面电催化剂，该催化剂在氧还原反应中表现出高性能和高耐久性。该方法有望通过减少所需铂的用量并降低催化剂层的成本，解决氢燃料电池中的关键问题。该技术的主要优势在于所制备的材料具有高的电化学比表面积，克服了传统表面催化剂的局限性。从置换过程开始进行纳米线合成步骤。在50毫升离心管中加入20毫升去离子水和40毫升镍纳米线。将混合物置于超声仪中，超声处理5分钟。同时，准备矿物油浴和电动搅拌器。将纳米线从超声波清洗仪中取出，转移至一个250毫升的玻璃圆底烧瓶中。向烧瓶中加入60毫升去离子水。然后将其放入矿物浴中，加热至90摄氏度，同时以500转/分钟的速度搅拌。搅拌器需配备带有玻璃轴的聚四氟乙烯（PTFE）桨叶。现在开始制备铂镍纳米线。准备好自动注射泵，并准备一个注射器。使用一个20毫升的注射器，其尖端连接约8厘米长的管路。接着，取15毫升去离子水，加入8.1毫克四氯铂酸钾。将溶液转移至注射器中。然后将注射器置于注射泵上。设置泵将溶液加入含有纳米线的烧瓶中。将流速设置为每分钟1毫升，并启动泵。待转移完成后，继续在90摄氏度下搅拌并加热烧瓶2小时。2小时后，将溶液转移至离心管中，在2500 G条件下离心15分钟。离心后在离心管中产生上清液。将上清液倒入废液容器中。去除上清液后，向沉淀物中加入新鲜的去离子水。将混合物超声处理约10秒。用去离子水重复离心、去除上清液和重悬步骤3次，再用2-丙醇重复1次。最后，将纳米线置于一个20毫升的玻璃闪烁瓶中。将纳米线置于真空烘箱中，在40摄氏度下干燥过夜。首先，在一个20毫升的闪烁瓶中配制所谓的“墨水”。该墨水由去离子水、含73微克铂的催化剂以及2-丙醇组成。将小瓶置于冰上冷却五分钟。五分钟后，向墨水中加入10 µL离聚物。将小瓶放回冰容器中，并将两者移至超声仪。使用探头超声处理小瓶30秒，随后进行20分钟的水浴超声处理，最后再进行30秒的探头超声处理。超声处理期间，准备一容器石墨化碳纳米纤维。取超声处理后的油墨，用移液器吸取7.5毫升。将吸取的油墨加入纳米纤维中。现在，将墨水在冰上用探头超声处理30秒，然后用水浴超声处理20分钟，再用探头超声处理30秒。准备好一个带有工作电极的倒置旋转仪。此处，一个玻碳电极已准备好进行涂覆。将电极以100 RPM的转速开始旋转，并用移液器将10 µL超声处理过的墨水滴加到电极表面。完成后，将转速提高至 700 RPM。随着电极变干，用墨水重复三次超声处理步骤。在混合速度为 100 RPM 时，用移液器向工作电极上额外添加 10 微克墨水，然后将转速提高至 700 RPM。用十分之一摩尔的高氯酸填充半电池。现在组装旋转圆盘电极测试站。该测试站包含工作电极、参比电极和对电极，均连接至主测试电池。接下来，将工作电极连接至一个可调节速度的控制器。然后，将工作电极的尖端浸入酸液中。设置电化学工作站以进行电化学测量。在进行电化学预处理之前，用氮气吹扫电解液七分钟。现在，准备测量氧还原极化曲线。启动工作电极，使其以2500转/分钟的速度旋转。用氧气吹扫电解液。七分钟后，将氧气流调至覆盖电解液表面。将电极转速降至1600转/分钟。设置自动线性扫描光度测量的参数并运行实验。测量完成后，停止旋转并弃去电解液。用高氯酸重新填充电解池，浸入电极后，通入氧气吹扫七分钟。使用相同的参数再次进行线性扫描光度测量。这些数据展示了铂镍纳米线的组成随铂前驱体添加量的变化关系。在置换反应过程中，将四氯铂酸钾加入到40毫克的镍纳米线中。在置换沉积过程中增加铂前驱体的用量，会提高铂含量以及最终催化剂中的铂含量。该图显示了电化学活性面积与铂沉积量之间的关系。通常，随着铂含量的增加，基于铂的电化学活性面积会降低。最佳性能出现在铂含量为7.3%时。以下是氧还原反应的质量活性随退火温度变化的关系。在250摄氏度的温度下制备的催化剂具有最佳的质量活性。一旦掌握，该技术若操作得当，大约可在一周内完成。在进行此操作时，重要的是要记住，浓度在万亿分之一水平的污染物在电化学上具有显著影响。完成该步骤后，可进一步采用其他方法，包括显微镜观察和膜电极组件测试，以回答更多问题，例如反应釜结构和器件性能。通过这些实验方案，我们已开发出用于质子交换膜燃料电池、纳米结构膜燃料电池、电解池以及醇类燃料电池的扩展表面催化剂。观看本视频后，您应能够掌握如何合成并电化学测试基于铂的扩展表面电催化剂，该催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能和耐久性。请注意，操作浓酸以及加压气体（特别是氢气和一氧化碳）具有极高危险性，因此在执行本实验过程中，必须始终采取适当的安全措施，例如使用个人防护装备和有效的通风控制。

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化学

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微波合成条件对氢氧化镍纳米片结构的影响

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铂镍纳米线的合成及其氧还原性能优化

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