Name: Synteza nanodrutów platynowo-niklowych i optymalizacja pod kątem wydajności redukcji tlenu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-27T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 2 s
Description: Poznaj syntezę nanodrutów platynowo-niklowych metodą galwanicznej wymiany i obróbki termicznej wodorowej. Ta technika zwiększa trwałość katalizatorów i redukuje zużycie platyny w ogniwach paliwowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wsparcie finansowe zostało udzielone przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej na podstawie umowy o numerze DE-AC36-08GO28308 dla NREL.

1. Synteza nanodrutów Pt-Ni
<ol>
	<li>Aby rozpocząć proces wypierania, zawiesić matrycę z nanodrutu niklowego w wodzie i podgrzać ją do 90 °C.
	<ol>
		<li>Dodaj 40 mg dostępnych w handlu nanodrutów niklu do 20 ml dejonizowanej wody w probówce wirówkowej o pojemności 50 ml. Sonikuj go przez 5 min. 
		UWAGA: Nanodruty mają około 150-250 nm średnicy i 100-200 μm długości.</li>
		<li>Przenieś zawieszone nanodruty do szklanej kolby okrągłodennej o pojemności 250 ml i dodaj 60 ml wody dejonizowanej. Podgrzać kolbę do temperatury 90 °C w kąpieli z olejem mineralnym. Wymieszać mieszaninę reakcyjną z prędkością 500 obr./min za pomocą łopatki z politetrafluoroetylenu połączonej ze szklanym wałem i mieszadłem elektrycznym.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Tworzą nanodruty Pt-Ni przez spontaniczne przemieszczenie galwaniczne.
	<ol>
		<li>Dodać 8,1 mg tetrachloroplatynianu potasu do 15 ml wody dejonizowanej. Dodaj roztwór do strzykawki o pojemności 20 ml z około 8 cm rurką na bazie poliuretanu o średnicy 0,318 cm przymocowaną do końcówki. Umieścić strzykawkę w automatycznej pompie strzykawkowej i ustawić szybkość na 1 ml/min.</li>
		<li>Uruchomić pompę strzykawkową i pozwolić pompie dodać roztwór do kolby okrągłodennej przez 15 minut. Podgrzewać kolbę w temperaturze 90 °C przez 2 godziny.</li>
		<li>Odwirować roztwór o stężeniu 2 500 x g przez 15 minut i wlać supernatant do strumienia odpadów. Zawiesić ciała stałe za pomocą sonikacji w kąpieli (około 10 s) przy użyciu świeżego roztworu (woda lub 2-propanol, zgodnie z zaleceniami). Ponownie odwirować roztwór i usunąć supernatant. Powtórz proces mycia trzy razy wodą dejonizowaną, a następnie raz 2-propanolem.</li>
		<li>Wysuszyć nanodruty Pt-Ni w temperaturze 40 °C w piecu próżniowym przez noc (około 16 godzin).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Sprawdź skład za pomocą spektrometrii mas z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MS).
Uwaga: Skład katalizatora powinien wynosić 7,3 ± 0,3 % wag.
<ol>
	<li>Strawić 1 mg próbki w 10 ml wody królewskiej w temperaturze pokojowej przez noc.</li>
	<li>Rozcieńczyć do stężeń 200, 20 i 2 ppb, z dopasowaniem matrycy rozcieńczeń do 1,5% kwasu solnego i 0,5% kwasu azotowego.
	<ol>
		<li>Dodać 20 μl pofermentu do 9,98 ml roztworu podstawowego (1,5% kwasu solnego i 0,5% kwasu azotowego) na 200 ppb; 2 μl pofermentu do 10,00 ml roztworu podstawowego (1,5% kwasu solnego i 0,5% kwasu azotowego) na 20 ppb; i 0,2 μl pofermentu do 10,00 ml roztworu podstawowego (1,5% kwasu solnego i 0,5% kwasu azotowego) na 2 ppb. Przefiltrować rozcieńczenia za pomocą filtra na bazie politetrafluoroetylenu 0,4 μm.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Proces postsyntezy nanodrutów Pt-Ni poprzez wyżarzanie i ługowanie kwasem.
<ol>
	<li>Wyżarzanie wodorowe zsyntetyzowanych nanodrutów Pt-Ni.</li>
	<li>Dodaj całą próbkę nanodrutu do pieca rurowego. Zastosuj próżnię do probówki przez noc. 
	UWAGA: Ponieważ przepływ gazu (wodór, tlen) był używany w podwyższonej temperaturze w piecu rurowym, wymagane były względy bezpieczeństwa. Połączenia rura-gaz zostały zbudowane tak, aby aparatura mogła wytrzymać podciśnienie i 500 Torr ciśnienia wstecznego podczas pracy. Wylot rury został odpowietrzony do wylotu, a cały piec umieszczono w obudowie odpowietrzonej do przewodu wydechowego.
	<ol>
		<li>Wprowadzić wodór o niskim natężeniu przepływu do rurki o przeciwciśnieniu 500 Torr.</li>
		<li>Podgrzewać próbkę do temperatury 250 °C przez 2 godziny, stosując szybkość narastania 10 °C/min.</li>
		<li>Pozostawić próbkę do ostygnięcia do temperatury pokojowej w sposób naturalny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Kwasem wypłukuj wyżarzone wodorem nanodruty Pt-Ni.
	<ol>
		<li>Dodaj 25 mg nanodrutów do 20 ml wody dejonizowanej i poddaj ją sonikacji w kąpieli. Przenieść zawieszone nanodruty do kolby okrągłodennej o pojemności 100 ml.</li>
		<li>Dodać rozcieńczony kwas azotowy w temperaturze pokojowej do kolby (25 ml 0,2 M kwasu azotowego na 25 ml zawiesiny wody/nanodrutów), aby doprowadzić zawartość kolby do 50 ml 0,1 M kwasu azotowego i wstrząsnąć kolbą w celu uzyskania jednolitego stężenia. Dodaj od razu kwas azotowy.</li>
		<li>Podłączyć kolbę do linii Schlenka. Włącz odkurzacz na 10 minut, a następnie wyłącz odkurzacz. Powoli dodawać azot gazowy do przewodu i pozostawić kolbę w temperaturze pokojowej przez 2 godziny. Wyjąć kolbę z linii Schlenk i umyć produkty zgodnie z opisem w kroku 1.2.3.</li>
		<li>Sprawdź skład za pomocą ICP-MS, który powinien wynosić 15,2 ± 0,3 % wag.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyżarzanie tlenowe wypłukane kwasem nanodruty Pt-Ni.
	<ol>
		<li>Dodaj nanodruty do dostępnego w handlu pieca rurowego. Zastosuj próżnię do rurki na noc.</li>
		<li>Wprowadź tlen o niskim natężeniu przepływu do rurki o ciśnieniu wstecznym 500 Torr.</li>
		<li>Podgrzewać próbkę do temperatury 175 °C przez 2 godziny, stosując szybkość narastania 10 °C/min.</li>
		<li>Pozostawić próbkę do ostygnięcia do temperatury pokojowej w sposób naturalny.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Elektrochemicznie scharakteryzuj nanodruty w półogniwach z obrotową elektrodą dyskową (RDE)8
<ol>
	<li>Pokryj szkliste elektrody robocze z węgla.
	<ol>
		<li>Dodaj katalizator, który zawiera 73 μg Pt, do 7,6 ml wody dejonizowanej w fiolce scyntylacyjnej o pojemności 20 ml, a następnie dodaj 2,4 ml 2-propanolu. Zawartość fiolki jest następnie określana jako atrament. Zamrozić tusz przez 5 minut, a następnie dodać 10 μl dostępnego w handlu jonomeru. 
		UWAGA: Dla katalizatora w postaci syntetyzowanej i wyżarzonego wodorem należy użyć 1 mg (7,3% wag. % Pt). W przypadku katalizatora ługowanego kwasem i wyżarzanego tlenem należy użyć 480 μg (15,2% wag. Pt).</li>
		<li>Sonikuj tusz w lodzie, 30 s przez klakson, a następnie 20 minut przez kąpiel i 30 s przez klakson. Dodaj 7,5 ml tuszu do 0,5 mg grafityzowanych nanowłókien węglowych.</li>
		<li>Sonikuj tusz w lodzie, 30 s przez klakson, a następnie 20 minut przez kąpiel i 30 s przez klakson. Odpipetować 10 μl tuszu na szklistą węglową elektrodę roboczą (średnica zewnętrzna 5 mm), przy czym odwrócona elektroda obraca się z prędkością 100 obr./min. Po odpipetowaniu tuszu zwiększ obroty do 700 obr./min.</li>
		<li>Ponownie poddać sonikę tuszu (30 s klakson, 20 minut kąpieli, 30 s klakson), podczas gdy elektroda wyschnie i naniec dodatkowy tusz (10 μl) na elektrodę. Kontynuuj proces powlekania, aby zwiększyć obciążenie do 1,9 μgcm elec-2, pięć kropli atramentu po 10 μl.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zmontuj stację testową RDE.
	<ol>
		<li>Namocz szklane naczynia przez noc w stężonym kwasie siarkowym. Następnie namocz szkło przez noc w dostępnym w handlu substytucie kwasu chromowego. Zagotuj osiem razy w wodzie dejonizowanej. Zmontuj szkło, podłączając elektrody roboczą, licznikową i referencyjną do głównej celi testowej. 
		UWAGA: Półogniwa RDE wykorzystują konfigurację z trzema elektrodami. Elektrody robocza i przeciwelektrody były wykonane odpowiednio z węgla szklistego i siatki Pt. Elektrodą odniesienia była odwracalna elektroda wodorowa (RHE), drut Pt umieszczony w szklanym bełkotku z elektrolitem kwasu nadchlorowego o stężeniu 0,1 M.</li>
		<li>Napełnij półogniwo RDE 0,1 M kwasem nadchlorowym. Podłącz elektrodę roboczą do dostępnego w handlu modulowanego regulatora prędkości i zanurz końcówkę elektrody roboczej.</li>
		<li>Pomiary elektrochemiczne należy wykonywać za pomocą dostępnego na rynku potencjostatu. Oczyszczać elektrolit azotem przez 7 minut.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Weźmy elektrochemiczne powierzchnie powierzchniowe.
	<ol>
		<li>Wprowadź parametry do automatycznego pliku woltamperometrii cyklicznej dostarczonego przez producenta potencjostatu. Ustaw numer cyklu na 50, szybkość skanowania na 100 mV s-1, dolny potencjał na 0,025 V, a górny potencjał na 1,4 V. Uruchom plik z woltamperometrią cykliczną i wyrzuć elektrolit. Uzupełnij 0,1 M kwasem nadchlorowym i przedmuchnij tlenkiem węgla.</li>
		<li>Wprowadź parametry do automatycznego pliku zatrzymania potencjału dostarczonego przez producenta potencjostatu. Ustaw potencjał 0,1 V i czas na 20 min i zacznij obracać elektrodę roboczą z prędkością 2 500 obr./min. Uruchom plik potencjalnej blokady: przez pierwsze 10 minut programu usuń tlenek węgla; Przez drugie 10 minut programu należy przedmuchnąć azot. W ciągu ostatnich 30 sekund wstrzymania wyłącz obroty i ustaw bełkotkę tak, aby pokryła elektrolit.</li>
		<li>Wprowadź parametry do automatycznego pliku woltamperometrii cyklicznej dostarczonego przez producenta potencjostatu. Ustaw numer cyklu na 3, szybkość skanowania na 20 mV s-1, potencjał rozruchowy na 0,1 V, dolny potencjał na 0,025 V, a górny potencjał na 1,2 V. Uruchom plik woltamperometrii cyklicznej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Weźmy krzywe polaryzacji redukcji tlenu.
	<ol>
		<li>Przedmuchiwać elektrolit tlenem przez co najmniej 7 minut, gdy elektroda robocza obraca się z prędkością 2,500 obr./min.</li>
		<li>Ustaw przedmuchiwanie tlenem tak, aby pokryło elektrolit i spowolnij obrót elektrody roboczej do 1,600 obr./min.</li>
		<li>Wprowadź parametry do pliku automatycznej woltamperometrii liniowej dostarczonego przez producenta potencjostatu. Ustaw numer cyklu na 10, szybkość skanowania na 20 mV s-1, potencjał początkowy na -0,1 V, a potencjał końcowy na 1,05 V. Uruchom plik woltamperometrii liniowej. Wyrzuć elektrolit.</li>
		<li>Uzupełnić 0,1 M kwasem nadchlorowym i przepłukać tlenem przez co najmniej 7 minut. Ponownie uruchomić plik woltamperometrii liniowej użyty w kroku 4.4.3.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przeprowadź testy wytrzymałościowe.
	<ol>
		<li>Oczyść elektrolit azotem, obracając elektrodę roboczą z prędkością 2 500 obr./min. Ustaw przedmuchiwanie azotem tak, aby pokryło elektrolit i zatrzymało obrót elektrody roboczej.</li>
		<li>Wprowadź parametry do automatycznego pliku woltamperometrii cyklicznej dostarczonego przez producenta potencjostatu. Ustaw numer cyklu na 30 000, szybkość skanowania na 500 mV s-1, dolny potencjał na 0,6 V, a górny potencjał na 1,0 V. Uruchom plik woltamperometrii cyklicznej.</li>
		<li>Po trwałości należy zmierzyć powierzchnie elektrochemiczne i krzywe polaryzacji redukcji tlenu, korzystając z protokołów podanych w krokach 4.3 i 4.4.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Papageorgopoulos, D. U.S. Department of Energy. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/fc000_papageorgopoulos_2014_o.pdf">http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/fc000_papageorgopoulos_2014_o.pdf</a> (2014).</li>
<li>Bregoli, L. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0013468678850257">Influence of Platinum Crystallite Size on Electrochemical Reduction of Oxygen in Phosphoric-Acid.</a> Electrochim. Acta. 23 (6), 489-492 (1978).</li>
<li>Debe, M. U.S. Department of Energy. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review09/fc_17_debe.pdf">http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review09/fc_17_debe.pdf</a> (2009).</li>
<li>Debe, M. K., Parsonage, E. E. Nanostructured electrode membranes. US patent. , (1994).</li>
<li>Papandrew, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://jes.ecsdl.org/content/160/8/F848.abstract">Oxygen Reduction Activity of Vapor-Grown Platinum Nanotubes.</a> ECS Trans. 50 (2), 1397-1403 (2013).</li>
<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>
<li>Alia, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cs401081w">Platinum-Coated Nickel Nanowires as Oxygen-Reducing Electrocatalysts.</a> ACS Cat. 4 (4), 1114-1119 (2014).</li>
<li>Alia, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsomega.7b00054">Exceptional Oxygen Reduction Reaction Activity and Durability of Platinum-Nickel Nanowires through Synthesis and Post-Treatment Optimization.</a> ACS Omega. 2 (4), 1408-1418 (2017).</li>
<li>Norskov, J., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp047349j">Origin of the Overpotential for Oxygen Reduction at a Fuel-Cell Cathode.</a> J. Phys. Chem. B. 108 (46), 17886-17892 (2004).</li>
<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>
<li>Paulus, U. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468602003493">Oxygen reduction on high surface area Pt-based alloy catalysts in comparison to well defined smooth bulk alloy electrodes.</a> Electrochim. Acta. 47 (22-23), 3787-3798 (2002).</li>
<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>
<li>Cui, C., Gan, L., Heggen, M., Rudi, S., Strasser, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compositional+segregation+in+shaped+Pt+alloy+nanoparticles+and+their+structural+behaviour+during+electrocatalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Mater%22%5BJournal%5D)">Compositional segregation in shaped Pt alloy nanoparticles and their structural behaviour during electrocatalysis.</a> Nat Mater. 12 (8), 765-771 (2013).</li>
<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokoły te zostały wykorzystane do wytworzenia elektrokatalizatorów o wydłużonej powierzchni zarówno o dużej powierzchni, jak i określonych działaniach w reakcji redukcji tlenu8. Osadzając Pt na nanostrukturalnych matrycach, nanodruty uniknęły słabo skoordynowanych miejsc i zminimalizowały wpływ wielkości cząstek, wytwarzając określone aktywności ponad 12 razy większe niż nanocząstki Pt na bazie węgla. Wykorzystując przemieszczenie galwaniczne jako podejście do syntezy, uzyskano również przybliż...

Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów są częściowo ograniczone przez ilość i koszt platyny wymaganej w warstwie katalizatora, co może stanowić połowę kosztów ogniw paliwowych1. W ogniwach paliwowych nanomateriały są zwykle opracowywane jako katalizatory redukcji tlenu, ponieważ reakcja jest kinetycznie wolniejsza niż utlenianie wodoru. Nanocząstki Pt na bazie węgla są często stosowane jako elektrokatalizatory redukujące tlen ze względu na ich dużą powierzchnię; Mają jednak specyficzną selektywną aktywność i są podatne na utratę trwałości.
Rozszerzone cienkie warstwy oferują potencjalne korzyści nanocząsteczkom, rozwiązując te ograniczenia. Rozszerzone powierzchnie Pt zazwyczaj wytwarzają określone aktywności o rząd wielkości większe niż nanocząstki, ograniczając mniej aktywne fasety i efekty wielkości cząstek, i wykazano, że są trwałe w potencjalnych cyklach2,3,4. Podczas gdy w elektrokatalizatorach o rozszerzonej powierzchni osiągnięto aktywność o dużej masie, ulepszenia zostały osiągnięte przede wszystkim dzięki wzrostowi aktywności właściwej, a typ katalizatora został ograniczony do Pt o małej powierzchni (10 m2 g Pt-1)3,4,5.
Spontaniczne przemieszczenie galwaniczne łączy w sobie aspekty korozji i elektroosadzania6. Proces ten jest na ogół regulowany przez standardowe potencjały redoks tych dwóch metali, a osadzanie zwykle zachodzi, gdy kation metalu jest bardziej reaktywny niż matryca. Przemieszczenie ma tendencję do tworzenia nanostruktur, które pasują do morfologii matrycy. Stosując tę technikę do rozszerzonych nanostruktur, można tworzyć katalizatory na bazie Pt, które wykorzystują wysoką specyficzną aktywność redukcyjną tlenu w wydłużonych cienkich warstwach. Poprzez częściowe przemieszczenie zdeponowane zostały niewielkie ilości Pt, które wytworzyły materiały o dużej powierzchni (> 90 m2 g Pt-1)<sup class="xref">7,8.
Te protokoły obejmują wyżarzanie wodoru w celu wymieszania stref Pt i Ni oraz poprawy aktywności redukcji tlenu. Szereg badań teoretycznie ustaliło mechanizm i eksperymentalnie potwierdziło efekt stopowania w redukcji tlenu Pt. Modelowanie i korelacja wiązania Pt-OH i Pt-O z aktywnością redukcji tlenu sugeruje, że poprawę Pt można osiągnąć poprzez kompresję sieciową9,10. Stopienie Pt z mniejszymi metalami przejściowymi potwierdziło tę korzyść, a Pt-Ni został zbadany w wielu formach, w tym polikrystalicznych, fasetowanych elektrod, nanocząstek i nanostruktur11,12,13,14.
Przemieszczenie galwaniczne zostało wykorzystane w rozwoju katalizatora redukcji tlenu Pt z wieloma innymi szablonami, w tym nanostrukturami srebra, miedzi i kobaltu15,16,17. Technika syntezy została również wykorzystana do osadzania innych metali i wytworzyła elektrokatalizatory do ogniw paliwowych, elektrolizerów i elektrochemicznego utleniania alkoholi18,19,20,21. Podobne protokoły można również zaadaptować do syntezy nanomateriałów o szerszym zakresie zastosowań elektrochemicznych.

<table><tbody><tr><td>Nanodruty niklu</td><td>Plasmachem GmbH</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kolba okrągłodenna 250 ml</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Płyta grzejna</td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Olej mineralny</td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tetrachloroplatynian potasu</td><td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pompa strzykawkowa</td><td>New Era Pump</td><td></td> Systems<td></td></tr><tr><td>Rotator</td><td>Arrow Engineering Łopatka</td><td></td><td></td></tr><tr><td>teflonowa</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Szklany wał</td><td>Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Split zawias piec rurowy</td><td>Lindberg</td><td></td><td>Indywidualna</td></tr><tr><td>własna linia Schlenk</td><td>Skraplacze Ace Glass</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>VWR International</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kwas azotowy</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>2-propanol</td><td>Fisher Scientific</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Jonom Nafion (5 % wag.)</td> <td>Sigma Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Szklista węglowa elektroda robocza</td><td>Pine Instrument Company</td><td></td><td></td></tr><tr><td>RDE</td><td>szkło Precyzyjne</td><td></td> szkła <td>Indywidualny</td></tr><tr><td>własny drut platynowy</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>Dostosowana</td></tr><tr><td>wewnętrzna siatka platynowa</td><td>Alfa Aesar</td><td></td><td>Dostosowana wewnętrzna</td></tr><tr>firma<td>MSR Rotator</td><td>Pine Instrument Potentiostat</td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Metrohm Autolab</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

synteza nanodrutów platynowo-niklowych i optymalizacja pod kątem wydajności redukcji tlenu

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

Nanodruty platynowo-niklowe (Pt-Ni) zostały opracowane jako elektrokatalizatory ogniw paliwowych i zostały zoptymalizowane pod kątem wydajności i trwałości w reakcji redukcji tlenu. Spontaniczne przemieszczenie galwaniczne wykorzystano do osadzania warstw Pt na podłożach z nanodrutów Ni. W wyniku syntezy uzyskano katalizatory o wysokiej aktywności właściwej i powierzchni o wysokiej zawartości Pt. Wyżarzanie wodorowe poprawiło mieszanie Pt i Ni oraz aktywność właściwą. Ługowanie kwasem zastosowano w celu preferencyjnego usunięcia Ni w pobliżu powierzchni nanodrutu, a wyżarzanie tlenowe zastosowano w celu ustabilizowania przypowierzchniowego Ni, poprawiając trwałość i minimalizując rozpuszczanie Ni. Protokoły te szczegółowo opisują optymalizację każdego etapu przetwarzania po syntezie, w tym wyżarzanie wodoru do 250 °C, ekspozycję na 0,1 M kwasu azotowego i wyżarzanie tlenowe do 175 °C. Dzięki tym etapom nanodruty Pt-Ni wytworzyły zwiększoną aktywność o ponad rząd wielkości niż nanocząstki Pt, oferując jednocześnie znaczną poprawę trwałości. Prezentowane protokoły opierają się na układach Pt-Ni w rozwoju katalizatorów ogniw paliwowych. Techniki te są również stosowane w różnych kombinacjach metali i mogą być stosowane do opracowywania katalizatorów dla wielu procesów elektrochemicznych.

Spontaniczna galwaniczna wymiana nanodrutów Ni na Pt, z użyciem określonej ilości, doprowadziła do powstania nanodrutów Pt-Ni o zawartości 7,3 wt. % Pt (Rysunek 1 oraz Rysunek 2A). Aby osiągnąć optymalne obciążenie Pt, może być konieczna pewna modyfikacja ilości prekursora Pt. Wymiana Pt jest wrażliwa na grubość powierzchniowej warstwy tlenku Ni, która może się różnić w zależności od wieku matrycy (ekspozycji na ...

Protokół opisuje syntezę i testy elektrochemiczne nanodrutów platynowo-niklowych. Nanodruty zsyntetyzowano w wyniku galwanicznego przemieszczenia matrycy z nanodrutu niklowego. Przetwarzanie po syntezie, w tym wyżarzanie wodoru, ługowanie kwasem i wyżarzanie tlenowe, wykorzystano do optymalizacji wydajności i trwałości nanodrutów w reakcji redukcji tlenu.

Synteza nanodrutów platynowo-niklowych i optymalizacja pod kątem wydajności redukcji tlenu

Platinum-nickel (Pt-Ni) nanowires were developed as fuel cell electrocatalysts, and were optimized for the performance and durability in the oxygen ...

Ogólnym celem tej procedury jest wyprodukowanie elektrokatalizatorów o rozszerzonej powierzchni na bazie platyny, które wykazują wysoki poziom wydajności i trwałości w reakcji redukcji tlenu. Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowych problemów związanych z wodorowymi ogniwami paliwowymi poprzez zmniejszenie wymaganej ilości platyny i obniżenie kosztów warstwy katalizatora. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala na wytwarzanie materiałów o dużych powierzchniach elektrochemicznych, co powoduje wyczerpanie katalizatorów powierzchniowych.Rozpocznij etapy syntezy nanodrutów od procesu przemieszczenia. W 50-mililitrowej probówce wirówkowej dodaj 20 mililitrów dejonizowanej wody i 40 mililitrów nanodrutów niklowych. Umieść mieszaninę w sonikatorze i sonikuj przez pięć minut.W międzyczasie przygotuj kąpiel z olejem mineralnym i mieszadło elektryczne. Wyjmij zawieszone nanodruty z sonikatora i przenieś je do szklanej, 250-mililitrowej kolby okrągłodennej. Dodać do kolby 60 mililitrów wody dejonizowanej.Następnie umieść go w łaźni mineralnej, aby podgrzać do 90 stopni Celsjusza i jednocześnie mieszać z prędkością 500 obr./min. Wyposaż mieszadło w łopatkę z PTFE na szklanym wale. Teraz uformuj nanodruty platynowo-niklowe.Przygotuj automatyczną pompę strzykawkową i przygotuj strzykawkę. Użyj strzykawki o pojemności 20 mililitrów z około 8 centymetrami rurki na końcówce. Następnie uzyskaj 15 mililitrów wody dejonizowanej i dodaj 8,1 miligrama tetrachloroplatynianu potasu.Przenieść roztwór do strzykawki. Następnie umieścić strzykawkę na pompie strzykawkowej. Zorganizuj pompę, aby dodała roztwór do kolby zawierającej nanodruty.Ustaw szybkość na jeden mililitr na minutę i uruchom pompę. Po zakończeniu przenoszenia kontynuuj mieszanie i podgrzewanie kolby w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez dwie godziny. Po dwóch godzinach umieścić roztwór w probówce wirówkowej i wirować przy 2500 G przez 15 minut.W wyniku odwirowania w probówce powstaje supernatant. Wlej to do pojemnika na odpady. Gdy supernatant zniknie, dodaj świeżą dejonizowaną wodę do ciał stałych.Sonikuj mieszaninę przez około 10 sekund. Powtórzyć etapy wirowania, usuwania sklarentu i ponownego zawieszenia, 3 razy z wodą i czwarty raz z 2-Proponalem. Na koniec umieść nanodruty w 20-mililitrowej, szklanej fiolce scyntylacyjnej.Umieść nanodruty w piecu próżniowym do wyschnięcia w temperaturze 40 stopni Celsjusza przez noc. Najpierw przygotuj w 20-mililitrowej fiolce scyntylacyjnej to, co nazywa się atramentem. Jest to woda dejonizowana, katalizator zawierający 73 mikrogramy platyny i 2-propanolu.Zamrozić fiolkę przez pięć minut. Po pięciu minutach dodaj 10 mikrolitrów jonomeru do atramentu. Umieść fiolkę z powrotem w pojemniku z lodem i przenieś obie do sonikatora.Sondować fiolkę przez 30 sekund za pomocą klaksonu. Następnie wykonaj sonikację kąpieli przez 20 minut. Zakończ kolejnymi 30 sekundami dźwięków rogowych.Podczas sonikacji przygotuj pojemnik z grafityzowanymi nanowłóknami węglowymi. Weź sonikowany atrament i użyj pipety, aby pobrać 7,5 mililitra. Dodaj wyciągnięty atrament do nanowłókien.Teraz poddaj sonikacji atramentu w lodzie za pomocą klaksonu przez 30 sekund. Następnie przez kąpiel przez 20 minut. I znowu klaksonem, przez 30 sekund.Przygotuj odwrócony rotator z zamontowaną na nim elektrodą roboczą. W tym przypadku szklista elektroda węglowa jest gotowa do powlekania. Rozpocznij wirowanie elektrody z prędkością 100 obr./min i odpipetuj na nią 10 mikrolitrów sonikowanego tuszu.Po zakończeniu zwiększ obroty do 700 obr./min. Gdy elektroda wyschnie, powtórz trzy kroki sonikacji z atramentem. Przy prędkości mieszania 100 obr./min, odpipetować i dodać dodatkowe 10 mikrogramów atramentu do elektrody roboczej, a następnie zwiększyć prędkość obrotową do 700 obr./min.Wypełnij pół komórki dziesiątą molowym kwasem nadchlorowym. Teraz zmontuj stację testową z obrotową elektrodą dyskową. Stacja testowa posiada działające odniesienie i przeciwelektrodę podłączoną do głównej celi testowej.Następnie podłącz elektrodę roboczą do modulowanego regulatora prędkości. Następnie zanurz roboczą końcówkę elektrody w kwasie. Ustaw potencjostat do wykonywania pomiarów elektrochemicznych.Przed kondycjonowaniem elektrochemicznym należy przepłukać elektrolit azotem przez siedem minut. Teraz przygotuj się do pomiaru krzywych polaryzacji redukcji tlenu. Uruchom elektrodę roboczą, obracając się z prędkością 2500 obr./min.Oczyść elektrolit tlenem. Po siedmiu minutach ustaw przedmuchiwanie tlenem, aby pokryć elektrolit. Zwolnij obrót elektrody do 1600 obr./min.Ustaw parametry automatycznego pomiaru fotometrii liniowej i uruchom eksperyment. Po zakończeniu pomiaru zatrzymaj obrót i wyrzuć elektrolit. Po ponownym napełnieniu ogniwa kwasem nadchlorowym i zanurzeniu elektrody należy ją przepłukać tlenem przez siedem minut.Ponownie wykonaj pomiar fotometrii liniowej, używając tych samych parametrów. Dane te pokazują skład nanodrutów platynowo-niklowych w funkcji ilości prekursora platyny. Tetrachloroplatynian potasu, dodany do 40 miligramów nanodrutów niklu podczas wypierania galwanicznego.Wzrost prekursora platyny podczas wypierania galwanicznego zwiększa zawartość platyny i powstały katalizator. Ten wykres to pole powierzchni elektrochemicznej w funkcji przemieszczenia platyny. Zwiększenie zawartości platyny na ogół skutkuje katalizatorem o niższych powierzchniach elektrochemicznych na bazie platyny.Optymalna wydajność wystąpiła przy składzie 7,3% platyny. Oto aktywność masowa reakcji redukcji tlenu w funkcji temperatury klęczącej. Temperatura 250 stopni Celsjusza pozwoliła na wytworzenie katalizatora o optymalnej aktywności masowej.Po opanowaniu tej techniki można ją ukończyć po około tygodniu, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że zanieczyszczenia na poziomie części na bilion są istotne elektrochemicznie. Zgodnie z tą procedurą można zastosować inne metody, w tym mikroskopię i testowanie zespołu elektrod membranowych, aby uzyskać odpowiedzi na dodatkowe pytania, w tym strukturę czajnika i wydajność urządzenia.Na podstawie tych protokołów opracowaliśmy katalizatory o rozszerzonym zakresie usług dla ogniw paliwowych z membraną protonową i nanowymienną, elektrolizerów i ogniw paliwowych na bazie alkoholu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobry pomysł, jak zsyntetyzować i przetestować elektrochemicznie elektrokatalizator o rozszerzonej powierzchni na bazie platyny, który wykazuje wysoki poziom wydajności i trwałości w reakcji produkcji ontra. Nie zapominaj, że praca ze stężonym kwasem i gazem pod ciśnieniem, w szczególności wodorem i tlenkiem węgla, może być bardzo niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak stosowanie środków ochrony osobistej i kontrola wentylacji.

synthesis-platinum-nickel-nanowires-optimization-for-oxygen-reduction

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Srebrne nanodruty mogą jednocześnie transportować elektrony i informacje optyczne w postaci plazmonów powierzchniowych. Opisano tutaj procedurę realizacji takiego wspólnego obwodu i oceniane są ograniczenia w propagacji obu nośników informacji.

Ocena transportu plazmonicznego w przewodzących prąd nanodrutach srebra

Przedstawiono procedury przygotowania segmentowanych i współosiowych nanoprzewodów za pomocą elektroosadzania szablonowego w nanoporach. Jako przykłady wykonano segmentowane nanodruty składające się z segmentów Ag i ZnO oraz współosiowe nanodruty składające się z powłoki TiO2 i rdzenia Ag. Nanodruty wykorzystano w eksperymentach z fotokatalitycznym tworzeniem wodoru.

Przygotowanie i stosowanie fotokatalitycznie aktywnego segmentowego Ag|ZnO i koncentryczne nanodruty TiO2-Ag wykonane metodą elektroosadzania szablonowego

Przedstawiono protokół syntezy gąbczastych i fałdowatych nanocząstek Ni1-xNbxO przez chemiczne wytrącanie.

Metoda wytrącania chemicznego do syntezy modyfikowanych katalizatorów niklu Nb2O5 o dużej powierzchni właściwej

Tutaj prezentujemy protokół syntezy i testów elektrochemicznych pojedynczych atomów metali przejściowych skoordynowanych w wakatach grafenu jako aktywnych centrów selektywnej redukcji dwutlenku węgla do tlenku węgla w roztworach wodnych.

Charakterystyka syntezy i wydajności katalizatora jednoatomowego z metalu przejściowego do elektrochemicznej redukcji CO2

Zgłaszamy metodę opartą na roztworze do syntezy nanodrutów Au związanych z substratem. Dzięki dostrojeniu ligandów molekularnych używanych podczas syntezy, nanodruty Au mogą być hodowane z różnych substratów o różnych właściwościach powierzchniowych. Nanostruktury oparte na nanodrutach Au można również syntetyzować, dostosowując parametry reakcji.

Synteza nanodrutów Au związanych z substratem za pomocą mechanizmu aktywnego wzrostu powierzchni

Dla ciągłej i skalowalnej syntezy nanokompozytów na bazie metali szlachetnych, opracowywany jest nowy reaktor fotokatalityczny, w którym opisano jego strukturę, zasady działania i strategie optymalizacji jakości produktu.

Reaktor fotokatalityczny o przepływie ciągłym do precyzyjnie kontrolowanego osadzania nanocząstek metalicznych

Przedstawiono metodę syntezy pozwalającą na otrzymanie porowatych makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o przekroju kwadratowym poprzez chemiczną redukcję nierozpuszczalnych matryc solnych.

Metoda syntezy z szablonami soli dla porowatych makrowiązek i makrorurek na bazie platyny

Prezentowany tutaj jest protokół syntezy nanocząstek (NPs) ze stopu srebra i palladu (Ag-Pd) na bazie ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2). System ten pozwala na pozyskiwanie energii z promieniowania światłem widzialnym w celu przyspieszenia i kontrolowania przemian molekularnych. Ilustruje to redukcja nitrobenzenu pod wpływem lekkiego napromieniowania katalizowanego przez Ag-Pd/ZrO2 NPs.

Otrzymywanie nanocząstek stopu srebra i palladu do katalizy plazmonicznej w świetle widzialnym

Tutaj prezentujemy protokół syntezy nanocząstek Co na nanorurkach węglowych z domieszkami Co- i N- do produkcji wodoru.

Synteza nanocząstek metali na nanorurkach węglowych z domieszkowanymi atomami Co i N oraz jej katalityczne zastosowania w produkcji wodoru

Ten protokół pokazuje wygodną metodę porównywania właściwości katalitycznych obsługiwanych katalizatorów platynowych, syntetyzowanych przez osadzanie nanometrycznych koloidów lub przez impregnację. Uwodornienie cykloheksenu służy jako reakcja modelowa do określenia aktywności katalitycznej katalizatorów.

Reakcje katalityczne stabilizowanych aminami i wolnych od ligandów nanocząstek platyny na tytanie podczas uwodornienia alkenów i aldehydów

Nanoarkusze wodorotlenku niklu są syntetyzowane w reakcji hydrotermalnej wspomaganej mikrofalami. Protokół ten pokazuje, że temperatura i czas reakcji stosowane do syntezy mikrofalowej wpływają na wydajność reakcji, strukturę krystaliczną i lokalne środowisko koordynacyjne.

Wpływ warunków syntezy mikrofalowej na strukturę nanoarkuszy wodorotlenku niklu

Poznaj syntezę nanodrutów platynowo-niklowych metodą galwanicznej wymiany i obróbki termicznej wodorowej. Ta technika zwiększa trwałość katalizatorów i redukuje zużycie platyny w ogniwach paliwowych.

Synteza nanodrutów platynowo-niklowych i optymalizacja pod kątem wydajności redukcji tlenu

Przeglądaj więcej filmów