Summary
Das Protokoll beschreibt die Synthese und Elektrochemische Prüfung von Platin-Nickel-Nanodrähten. Nanodrähte synthetisiert durch die galvanische Verschiebung einer Nickel-Nanodraht-Vorlage. Post-Synthese Verarbeitung, einschließlich Wasserstoff glühen, sauren Auswaschung und Sauerstoff glühen dienten Nanodraht Leistung und Haltbarkeit in der Reaktion des Sauerstoff-Reduktion zu optimieren.
Abstract
Platin-Nickel (Pt-Ni) Nanodrähte wurden als Brennstoffzelle elektrokatalysatoren entwickelt und waren für die Leistung und Haltbarkeit in der Sauerstoff-Reduktionsreaktion optimiert. Spontane galvanische Verschiebung wurde verwendet, um Pt Schichten auf Ni Nanodraht Substraten zu hinterlegen. Die Synthese Ansatz produziert Katalysatoren mit hohen spezifischen Aktivitäten und hohen Pt-Flächen. Wasserstoff zu glühen verbessert Pt und Ni Misch- und spezifische Aktivität. Saure Laugung bevorzugt Ni oberflächennahen Nanodraht entfernen diente, und Sauerstoff glühen wurde zur oberflächennahen Ni, Verbesserung der Haltbarkeit und der Minimierung von Ni Auflösung zu stabilisieren. Diese Protokolle detailliert die Optimierung eines Schrittes nach dem Synthese-Verarbeitung, einschließlich Wasserstoff glühen auf 250 ° C, Einwirkung von Salpetersäure 0,1 M und Sauerstoff glühen auf 175 ° C. Durch diese Schritte produziert Pt-Ni-Nanodrähte verstärkte Aktivitäten mehr als eine Größenordnung als Pt-Nanopartikel und bietet erhebliche Haltbarkeit Verbesserungen. Die vorgestellten Protokolle basieren auf Pt-Ni-Systemen in der Entwicklung von Brennstoffzellen-Katalysatoren. Diese Techniken werden auch für eine Vielzahl von Kombinationen aus Metall und können angewendet werden, um Katalysatoren für eine Reihe von elektrochemischen Prozesse zu entwickeln.
Introduction
Proton-Austausch-Membran-Brennstoffzellen sind teilweise begrenzt durch die Menge und die Kosten von Platin in der katalysatorschicht, die Hälfte der Brennstoffzelle Kosten1ausmachen kann erforderlich. In Brennstoffzellen werden Nanomaterialien in der Regel als Sauerstoff-Reduktion-Katalysatoren entwickelt, da die Reaktion kinetisch langsamer als Wasserstoff-Oxidation ist. Kohlenstoff-gestützte Pt-Nanopartikel dienen oft als Sauerstoff-Reduktion-elektrokatalysatoren aufgrund ihrer großen Oberfläche; jedoch haben bestimmte selektive Aktivität und sind anfällig für Haltbarkeit Verluste.
Erweiterte Dünnfilme bieten potenziellen Vorteile für Nanopartikel durch Adressierung dieser Einschränkungen. Erweiterte Pt Oberflächen in der Regel produzieren spezifischen Aktivitäten eine Größenordnung größer als Nanopartikel, indem Sie weniger aktiv Facetten und Partikeleffekte Größe einschränken, und haben gezeigt, dass dauerhaft unter Potenzial Radfahren2,3 , 4. Aktivitäten mit hohe Masse in Erweiterte Oberfläche elektrokatalysatoren erreicht wurden, Verbesserungen wurden in erster Linie durch Erhöhungen in spezifische Aktivität, wobei der Katalysator-Typ wurde beschränkt auf Pt mit einer geringen Fläche (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontane galvanische Hubraum verbindet die Aspekte der Korrosion und Galvanisierung6. Der Prozess unterliegt in der Regel die standard Redox-Potentiale der beiden Metalle und die Ablagerung in der Regel tritt auf, wenn das Metall kation reaktiver als die Vorlage. Die Verschiebung ist tendenziell Nanostrukturen bilden, die die Morphologie der Vorlage entsprechen. Durch Anwendung dieser Technik zu erweiterten Nanostrukturen, können Pt-Katalysatoren gebildet werden, die die hohe spezifische Reduktion Sauerstoffaktivität erweiterte dünner Schichten nutzen. Durch partielle Verschiebung geringe Mengen von Pt hinterlegt worden und haben produziert Materialien mit hoher Flächen (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Diese Protokolle beinhalten Wasserstoff Glühen zu mischen Pt und Ni Zonen und Reduktion Sauerstoffaktivität verbessern. Eine Reihe von Studien haben theoretisch gegründet den Mechanismus und eine Legierungsmetall Wirkung in Pt sauerstoffreduktion experimentell bestätigt. Modellierung und Korrelation von Pt-OH und Pt-O Bindung an Reduktion Sauerstoffaktivität legen nahe, dass durch Gitter Kompression9,10Pt Verbesserungen möglich sind. Pt mit kleiner Übergang Metallen Legieren bestätigt diesen Vorteil und Pt-Ni wurde untersucht, in einer Reihe von Formen, einschließlich polykristallinen, facettierte Elektroden, Nanopartikel und Nanostrukturen11,12, 13,14.
Galvanische Verschiebung wurde in Pt-Sauerstoff-Reduktion Katalysatorentwicklung mit einer Vielzahl von anderen Vorlagen, wie Silber, Kupfer und Kobalt Nanostrukturen15,16,17verwendet. Die Synthese-Technik ist auch bei der Abscheidung von anderen Metallen verwendet worden und produzierte elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und der elektrochemischen Oxidation von Alkoholen18,19,20, 21. Ähnliche Protokolle können auch für die Synthese von Nanomaterialien mit einer breiteren Palette von elektrochemische Anwendungen angepasst werden.
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Protocol
1. Synthese von Pt-Ni-Nanodrähte
- Um die Verschiebung zu beginnen, unterbrechen Sie die Nickel-Nanodraht-Vorlage im Wasser und auf 90 ° c erhitzen
- Hinzufügen von 40 mg von handelsüblichen, nickel-Nanodrähte, 20 mL entionisiertem Wasser in ein 50 mL Zentrifugenröhrchen. Beschallen sie für 5 Minuten.
Hinweis: Die Nanodrähte sind ca. 150-250 nm im Durchmesser und 100-200 µm in der Länge. - Die abgehängte Nanodrähte auf ein 250 mL Glas Runde untere Kolben übertragen und 60 mL deionisiertes Wasser hinzugeben. Erhitzen Sie den Kolben auf 90 ° C in einem Mineralöl-Bad. Rühren Sie die Reaktionsmischung bei 500 u/min mit einem Polytetrafluorethylen-Paddel mit einem glasschaft und elektrischen Rührer verbunden.
- Hinzufügen von 40 mg von handelsüblichen, nickel-Nanodrähte, 20 mL entionisiertem Wasser in ein 50 mL Zentrifugenröhrchen. Beschallen sie für 5 Minuten.
- Die Pt-Ni-Nanodrähte durch spontane galvanische Verschiebung zu bilden.
- 15 mL entionisiertem Wasser 8,1 mg Kalium Tetrachloroplatinate hinzufügen. Ergänzen Sie die Projektmappe, um eine 20 mL Spritze mit ca. 8 cm von 0,318 cm Polyurethan-basierte Schläuche an der Spitze befestigt. Legen Sie die Spritze in eine automatisierte Spritzenpumpe und die Rate auf 1 mL/min festgelegt.
- Starten Sie die Spritzenpumpe und lassen Sie die Pumpe Rundboden-Kolben über 15 min. Hitze der Kolben bei 90 ° C für 2 h der Projektmappe hinzu.
- Die Lösung bei 2.500 x g für 15 min zentrifugieren, und den überstand in ein Abfallstrom Gießen. Solidswith Bad Beschallung Aufschwemmen (ca. 10 s) mit frischer Lösung (Wasser oder 2-Propanol, wie angegeben). Zentrifugieren Sie die Lösung wieder und entfernen Sie den überstand zu. Wiederholen Sie den Waschvorgang dreimal mit entionisiertem Wasser und dann einmal mit 2-Propanol.
- Trocknen Sie die Pt-Ni-Nanodrähte bei 40 ° C in einem Vakuumofen über Nacht (ca. 16 h).
2. Überprüfen Sie die Zusammensetzung mit induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie (ICP-MS).
Hinweis: Sollte Katalysatorzusammensetzung 7,3 ± 0,3 Gew.-% Pt.
- Digest 1 mg der Probe in 10 mL Aqua Regia bei Raumtemperatur über Nacht.
- Verdünnen Sie zu einer Konzentration von 200, 20 und 2 ppb, mit einer Matrix passenden Verdünnungen bis 1,5 % Salzsäure und 0,5 % Salpetersäure.
- Fügen Sie 20 µL Gärreste in 9,98 mL der Stammlösung (1,5 % Salzsäure und 0,5 % Salpetersäure) für 200 ppb; 2 µL der Gärreste in 10,00 mL der Stammlösung (1,5 % Salzsäure und 0,5 % Salpetersäure) für 20 ppb; und 0,2 µL der Gärreste in 10,00 mL der Stammlösung (1,5 % Salzsäure und 0,5 % Salpetersäure) für 2 ppb. Filtern Sie die Verdünnungen mit einem 0,4 µm Polytetrafluorethylen-basierte Filter.
3. Post-Syntheseverfahren die Pt-Ni-Nanodrähte durch Glühen und sauren auslaugen.
- Wasserstoff Tempern der synthetisierten Pt-Ni-Nanodrähten.
- Fügen Sie die gesamte Nanodraht-Probe zu einem röhrenförmigen Ofen. Vakuum auf das Rohr über Nacht anwenden.
Hinweis: seit Gas Flow (Wasserstoff, Sauerstoff) bei erhöhter Temperatur in den röhrenförmigen Ofen verwendet wurde, Sicherheitserwägungen waren erforderlich. Die Rohr-Gasanschlüsse wurden gebaut, um sicherzustellen, dass das Gerät während des Betriebs Vakuum und 500 Torr Gegendruck verarbeiten konnte. Den rohrausgang Kalkes entlüftet wurde wurde, und des gesamte Ofens in einem Gehäuse, eine Abgasleitung entlüftet.- Füttern Sie eine low-Flow-Rate von Wasserstoff in das Rohr mit 500 Torr Gegendruck.
- Erhitzen Sie die Probe auf 250 ° C für 2 h, mit maximal 10 ° C/min Rampe.
- Die Probe natürlich auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
- Acid Leach Wasserstoff geglüht, Pt-Ni-Nanodrähten.
- 20 mL entionisiertem Wasser 25 mg die Nanodrähte hinzu und Bad es beschallen. Übertragen Sie die abgehängte Nanodrähte auf eine 100 mL Runde untere Kolben.
- Fügen Sie Raumtemperatur verdünnt Salpetersäure in den Kolben (25 mL 0,2 M Salpetersäure zu 25 mL Wasser/Nanodraht Suspension), den Inhalt der Flasche zu 50 mL 0,1 M Salpetersäure, und schütteln Sie die Flasche um eine gleichmäßige Konzentration zu gewährleisten. Die Salpetersäure auf einmal hinzufügen.
- Schließen Sie die Flasche an eine Schlenk-Linie. Schalten Sie das Vakuum für 10 min und dann das Vakuum verschließen. Langsam fügen Sie Stickstoffgas in die Zeile hinzu, und lassen Sie die Flasche bei Raumtemperatur vorzugehen, denn 2 h. den Kolben von der Schlenk-Linie zu entfernen und Waschen der Produkte, wie unter Punkt 1.2.3 beschrieben.
- Überprüfen Sie die Zusammensetzung mit ICP-MS, die soll 15,2 ± 0,3 Gew.-% Pt.
- Sauerstoff Tempern der sauren ausgelaugten Pt-Ni-Nanodrähten.
- Fügen Sie die Nanodrähte zu einem handelsüblichen röhrenförmigen Ofen. Vakuum auf das Rohr über Nacht anwenden.
- Füttern Sie eine low-Flow-Rate von Sauerstoff in das Rohr mit 500 Torr Gegendruck.
- Erhitzen Sie die Probe auf 175 ° C für 2 h, mit maximal 10 ° C/min Rampe.
- Die Probe natürlich auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
(4) elektrochemisch charakterisieren die Nanodrähte in rotierenden Scheibe Elektrode (RDE) Halbzellen8
- Bestreichen Sie die glasige Kohleelektroden arbeiten.
- 7,6 mL entionisiertem Wasser in ein 20 mL-Fläschchen Funkeln Katalysator, enthält 73 µg PT, hinzu, und fügen Sie dann 2,4 mL 2-Propanol. Der Inhalt der Durchstechflasche werden anschließend als die Tinte bezeichnet. Eis die Tinte für 5 min und 10 µL einer handelsüblichen Ionomer hinzufügen.
Hinweis: für die als synthetisiert und Wasserstoff geglüht Katalysator, 1 mg (7,3 Gew.-% Pt) verwendet werden sollte. Für die Säure ausgelaugt und Sauerstoff Katalysator geglüht, sollte 480 µg (15,2 Gew.-% Pt) verwendet werden. - Beschallen Sie die Tinte im Eis, 30 s von Horn gefolgt von 20 min von Bad und 30 s von Horn. 0,5 mg graphitierte Kohlenstoff Nanofasern 7,5 mL Tinte hinzufügen.
- Beschallen Sie die Tinte im Eis, 30 s von Horn gefolgt von 20 min von Bad und 30 s von Horn. Pipette 10 µL der Tinte auf eine glasartige Kohlenstoff Arbeitselektrode (5 mm Durchmesser), mit der umgekehrten Elektrode bei 100 u/min drehen. Nach pipettieren der Tinte, die Rotation auf 700 u/min zu erhöhen.
- Die Tinte wieder (30 s-Horn, 20 min. Bad, 30 s Horn) während der Elektrode trocknet beschallen und pipette eine zusätzliche Tinte (10 µL) auf die Elektrode. Fortfahren Sie der Beschichtung, um das Laden zu 1,9 µg cmElec-2, fünf 10 µL Tropfen Tinte zu erhöhen.
- 7,6 mL entionisiertem Wasser in ein 20 mL-Fläschchen Funkeln Katalysator, enthält 73 µg PT, hinzu, und fügen Sie dann 2,4 mL 2-Propanol. Der Inhalt der Durchstechflasche werden anschließend als die Tinte bezeichnet. Eis die Tinte für 5 min und 10 µL einer handelsüblichen Ionomer hinzufügen.
- Montieren Sie die RDE-Prüfstation.
- Genießen Sie das Glas über Nacht in konzentrierter Schwefelsäure. Dann genießen Sie das Glas über Nacht in einem kommerziell erhältlichen Ersatz für Chromsäure. Kochen Sie acht Mal in entionisiertem Wasser. Montieren Sie die Glaswaren, indem Sie die wichtigsten Test-Zelle die Arbeits-, Zähler und Referenzelektroden anschließen.
Hinweis: Die RDE-Halbzellen verwenden eine drei-Elektroden-Konfiguration. Die Arbeits- und Ablagefläche Elektroden waren glassy Carbon und Pt-Netz, beziehungsweise. Die Referenzelektrode wurde eine reversible-Wasserstoff-Elektrode (RHE), ein Pt Draht in eine Glas-Wäscher mit 0,1 M Perchlorsäure Elektrolyt enthalten. - Füllen Sie die RDE-Halbzelle mit 0,1 M Perchlorsäure. Schließen Sie die Arbeitselektrode an einen handelsüblichen modulierte Drehzahlregler und Tauchen Sie die arbeitsspitze Elektrode.
- Nehmen Sie elektrochemische Messungen mit einem handelsüblichen potentiostaten. Das Elektrolyt mit Stickstoff für 7 min zu bereinigen.
- Genießen Sie das Glas über Nacht in konzentrierter Schwefelsäure. Dann genießen Sie das Glas über Nacht in einem kommerziell erhältlichen Ersatz für Chromsäure. Kochen Sie acht Mal in entionisiertem Wasser. Montieren Sie die Glaswaren, indem Sie die wichtigsten Test-Zelle die Arbeits-, Zähler und Referenzelektroden anschließen.
- Nehmen Sie elektrochemische Flächen.
- Input-Parameter in einer automatisierten zyklischer Voltammetrie-Datei des potentiostaten Herstellers. Der Zykluszahl auf 50, die Abtastrate 100 mV s-1, das untere Potenzial, 0.025 V und das obere Potenzial bis 1.4 V. Run die zyklische Voltammetrie-Datei festgelegt und entsorgen des Elektrolyts. Füllen Sie mit 0,1 M Perchlorsäure und Säuberung mit Kohlenmonoxid.
- Input-Parameter in einer automatisierten Potenzial halten potentiostaten mitgeliefertes Datei. Die potenziellen 0,1 V und die Zeit auf 20 min und starten Sie die Arbeitselektrode bei 2.500 u/min drehen. Führen Sie die potenziellen halten Datei: für die ersten 10 Minuten des Programms entfernen Kohlenmonoxid; Entfernen Sie für die zweiten 10 Minuten des Programms Stickstoff. Während der letzten 30 s des Frachtraums, deaktivieren die Rotation und die Wäscher, das Elektrolyt Decke.
- Input-Parameter in einer automatisierten zyklischer Voltammetrie-Datei des potentiostaten Herstellers. Setzen Sie der Zykluszahl auf 3, die Abtastrate auf 20 mV s-1, das Start-Potenzial auf 0,1 V, das untere Potenzial, 0.025 V und das obere Potenzial auf 1,2 V. Run die zyklische Voltammetrie-Datei.
- Statt Sauerstoff Reduktion Polarisation Kurven.
- Bereinigen des Elektrolyts mit Sauerstoff für mindestens 7 min mit der Arbeitselektrode bei 2.500 u/min drehen.
- Die Sauerstoff-Säuberung auf Decke der Elektrolyt festgelegt und die funktionierende Elektrode Rotation bis 1.600 u/min langsam.
- Input-Parameter in einer automatisierten linear Sweep Voltammetrie Datei potentiostaten Herstellers. Setzen Sie der Zykluszahl auf 10, die Abtastrate 20 mV s-1, das Start-Potenzial, -0,1 V und das Ende-Potenzial, 1.05 V. Run linear Sweep Voltammetrie Datei. Das Elektrolyt zu verwerfen.
- Füllen Sie mit 0,1 M Perchlorsäure und Säuberung mit Sauerstoff für mindestens 7 min. Wiederholung die linearen Sweep Voltammetrie Datei im Schritt 4.4.3 verwendet.
- Haltbarkeitstests ausführen.
- Bereinigen des Elektrolyts mit Stickstoff während der Arbeitselektrode bei 2.500 u/min drehen. Die Stickstoff-Säuberung auf Decke der Elektrolyt festgelegt und stoppen Sie die arbeitenden Elektrode Rotation.
- Input-Parameter in einer automatisierten zyklischer Voltammetrie-Datei des potentiostaten Herstellers. Soll der Zykluszahl 30.000, die Abtastrate auf 500 mV s-1, die unteren auf 0.6 V, und die oberen Potenzial auf 1,0 V. Run die zyklische Voltammetrie-Datei.
- Nach Haltbarkeit statt elektrochemische Flächen und Sauerstoff Reduktion Polarisation Kurven mit Hilfe der Protokolle, die in den Schritten 4.3 und 4.4 geliefert.
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Representative Results
Spontane galvanische Verschiebung von Ni-Nanodrähten mit Pt, unter Verwendung der angegebenen Menge produziert Pt-Ni-Nanodrähte, die 7,3 Gew.-% Pt (Abbildung 1 und Abbildung 2A). Einige Änderungen in Höhe von Pt Vorläufer möglicherweise müssen die optimale Pt laden zu erreichen. PT-Verschiebung ist empfindlich auf die Dicke der Oberfläche Ni Oxidschicht, die variieren können anhand der Vorlage Alter (Luft-Exposition) und vorgelagerten Variabilität22. Die Zusammensetzung ist jedoch entscheidend für die Gewährleistung hohen Aktivität und ICP-MS wurde verwendet, um die optimale Zusammensetzung zu gewährleisten. RDE Prüfprotokolle wurden aufgenommen, seit im folgenden diese Protokolle sind entscheidend für die richtige Synthese bestätigt und Verarbeitungsparameter. Katalysatoren in dieser Zusammensetzung (7,3 Gew.-% Pt) produziert Peak Sauerstoff Reduktion Massenaktivität7. Höhere Mengen an Pt Ablagerung führte zu niedrigeren elektrochemische Flächen, niedrigere Pt-Auslastung und die Bildung von dickeren Schichten in Pt (Abbildung 2b) zugeschrieben. Geringere Mengen an Pt führten geringere spezifische Aktivität, möglicherweise aufgrund einer Partikeleffekt Größe zwar die Aktivität Tropfen milder als Pt-Nanopartikel Ergebnisse2.
Wasserstoff zu glühen musste die Pt und Ni Zonen zu integrieren und komprimieren die Pt-Gitter-8. Gitter-Kompression verbessert Sauerstoffaktivität Reduktion und Glühen auf 250 ° C optimale Massenaktivität (Abbildung 3) produziert. Obwohl die spezifische Aktivität bei höheren Temperaturen Glühen zu erhöhen weiterhin, ging die elektrochemische Oberfläche potenziell aufgrund Pt Neuordnung an der Oberfläche.
Obwohl hohe Reduktion Sauerstoffaktivität glühen Wasserstoff produziert werden, führte Dauerprüfungen zu großen Leistungsverluste und hohe Mengen an Ni-Auflösung. Saure Laugung, bevorzugt Ni zu entfernen diente, und Sauerstoff glühen wurde zur Verbesserung der Haltbarkeit und minimieren Ni Auflösung8,22. Saure Laugung 15,2 Gew.-% Pt und Sauerstoff glühen auf 175 ° C erzeugt optimale Aktivität und Haltbarkeit (Tabelle 1). Wenn größere Mengen von Ni Entfernung ereignete sich in der Säure Auswaschung Schritt, hohe Haltbarkeit erreicht wurde, aber auf Kosten der ursprünglichen Leistung. Hohen Pt Zusammensetzung produziert Nanodrähte mit geringeren spezifischen Aktivität (dealloying Wirkung) und die Materialien wurden von weniger Interesse Electrocatalytically. Wenn geringere Mengen an Ni Entfernung im sauren Auswaschung Schritt aufgetreten ist, blieb große Mengen an Ni auf der Oberfläche. Sauerstoff zu glühen verbessert die Stabilität des Ni oberflächennahe Nanodraht, Verhinderung des Zugriffs auf Pt Websites während der elektrochemischen Aufbereitung. Der Sauerstoff Ausglühen Temperatur von 175 ° C zur Verfügung gestellt ein Gleichgewicht zwischen der Notwendigkeit, Untergrundes Ni für Haltbarkeit testen, gleichzeitig für den Pt-Zugang während der Aufbereitung zu stabilisieren. Für Nanodrähte, die 15,2 Gew.-% Pt waren, produziert höhere Temperaturen glühen Sauerstoff niedrigere anfängliche Aktivität; niedrigere Temperaturen glühen Sauerstoff führte dagegen höhere Haltbarkeit Verluste und höhere Grade der Ni-Auflösung.
Abbildung 1 . Schematische spontane galvanische Verschiebung Prozesses. Schematische Darstellung der spontanen galvanische Verschiebung-Prozess mit einem edleren Metall kation (rot) verdrängen ein Metall Vorlage (blau)6. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von S. M. Alia, Y. S. Yan und B. S. Pivovar, Katalyse Wissenschaft & Technologie, 4, (angepasst) in 3589 (2014). Copyright 2014 Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2 . Pt-Ni-Nanodrähte synthetisiert: ihre Zusammensetzung und Oberfläche-Bereich. (A) Pt-Ni Nanodraht Zusammensetzung in Abhängigkeit der Höhe der Pt-Vorläufer (Kalium Tetrachloroplatinate) 40 mg von Ni-Nanodrähten während der galvanischen Verschiebung hinzugefügt. (B) elektrochemische Flächen des Pt-Ni-Nanodrähte als Funktion der Höhe der Pt Hubraum7als synthetisiert. Die Datenpunkte bezeichnen den Durchschnittswert während der Fehlerbalken die Standardabweichung der Messung kennzeichnen. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von S. M. Alia, B. A. Larsen, S. Pylypenko, D. A. Cullen, D. R. Diercks, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha und B. S. Pivovar, ACS Katalyse, 4, (angepasst) in 1114 (2014). Copyright 2014 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3 . Sauerstoffaktivität Verringerung der Masse von Wasserstoff geglüht Pt-Ni-Nanodrähte als Funktion der annealing Temperatur8. Die Datenpunkte bezeichnen den Durchschnittswert während der Fehlerbalken die Standardabweichung der Messung kennzeichnen. Abgedruckt (angepasst) mit freundlicher Genehmigung von S. M. Alia, C. Ngo, S. shoulda, M.-A. Ha, A. A. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko und B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Copyright 2017 American Chemical Society. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Katalysator | Ichm, ich0,9 [mA mgPt\u20121] |
Ichm, f0,9 [mA mgPt\u20121] |
| Pt-Ni | 1653 | 1339 |
| H2 | 5213 | 3962 |
| Säure | 3583 | 3153 |
| O2 | 5414 | 5305 |
| PT/HSC | 500 | 375 |
Tabelle 1. Sauerstoff-Reduktion Massenaktivitäten vor (ichm, ich) und nach (ichm, f) Halbzelle Dauerprüfungen. Ausgewertete Katalysatoren enthalten als synthetisiert (Pt-Ni), Wasserstoff geglüht (H2), ausgelaugten Säure (Säure) und geglüht, Sauerstoff (O2) Pt-Ni Nanodrähte. Die Halbzelle Leistung des Kohlenstoff-gestützte Pt-Nanopartikel (Pt/HSC) wurde auch als eine Referenz8bereitgestellt. Abgedruckt (angepasst) mit freundlicher Genehmigung von S. M. Alia, C. Ngo, S. shoulda, M.-A. Ha, A. A. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko und B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Copyright 2017 American Chemical Society.
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Discussion
Diese Protokolle wurden verwendet, um erweiterte Oberfläche elektrokatalysatoren mit hohen Flächen und spezifische Aktivitäten in der Sauerstoff-Reduktion Reaktion8zu produzieren. Durch die Hinterlegung Pt auf nanostrukturierten Vorlagen, die Nanodrähte niedrigen koordinierte Websites zu vermeiden und minimieren Sie Größe Partikeleffekte, Herstellung von bestimmten Aktivitäten mehr als 12 mal größer als Kohlenstoff-gestützte Pt-Nanopartikel. Mit galvanischen Verschiebung als die Synthese Ansatz produziert auch eine ungefähre Beschichtung auf der Ni-Vorlage-7. Auf einem niedrigen Niveau der Pt-Verschiebung produziert dabei elektrochemische Flächen von mehr als 90 m2 gPt-1, einen bedeutenden Durchbruch in Erweiterte Oberfläche Katalysatoren.
Wasserstoff zu glühen war nötig, um Leistung8zu verbessern. Zu erhöhten Temperaturen glühen verbessert die Sauerstoff-Reduktion spezifische Tätigkeit, die als Legierungsmetall Effekt verursacht durch Pt Gitter Kompression Schwächung Pt-O Chemisorption9,10rationalisiert wurde. Obwohl der Wasserstoff glühen Schritt erste Aktivität verbessert, waren die hohe Haltbarkeit und Ni Auflösung Verluste ein Anliegen. Saure Auswaschung und Sauerstoff glühen wurden verwendet, um diese Verluste zu minimieren. Die optimierte Pt-Ni-Nanodrähte produziert Sauerstoff Reduktion Massenaktivitäten elf Mal größer als Kohlenstoff-gestützte Pt-Nanopartikel und dreimal größer als die Drähte als synthetisiert. Signifikante Verbesserungen wurden auch die Nanowire Haltbarkeit, die 3 % Massenaktivität (als synthetisiert verloren 21 %) verloren und 0,3 % der Katalysator Masse zu Ni Auflösung (als synthetisiert verloren 7 %).
Pt-Ni-Nanodrähten entwickelt und optimiert für ihre Leistung in RDE Halbzellen. RDE zu testen dient häufig in Katalysator screening, um die grundlegenden Eigenschaften und elektrochemische Fähigkeiten eines Katalysators zu bewerten. RDE-Aktivität, jedoch garantiert nicht ähnliche Leistung von Brennstoffzellen und Membran-Elektroden-Einheiten umfassen Tätigkeit Verluste durch Massentransport und elektronische und Ionischen Widerstand. Die Pt-Ni-Nanodrähten entwickelt in diesen Protokollen demonstrieren mehr als eine Größenordnung höher Aktivität zum Pt-Nanopartikel, sowie verbesserte Haltbarkeit. Während diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Pt-Ni-Nanodrähte Brennstoffzelle Elektrode Belastungen angepasst Kosten-Performance-Metriken senken könnte, bleibt die wirksame Einbeziehung dieser Materialien in Membran-Elektroden-Einheiten eine große Herausforderung.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Finanzieller Unterstützung der US-Department of Energy, Büro für Energieeffizienz und erneuerbare Energien unter Vertragsnummer DE-AC36-08GO28308, NREL sorgte.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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
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