Summary
Sentez ve elektrokimyasal Platin-nikel nanowires test protokolünü açıklar. Nanowires nikel nanowire şablon galvanik yerinden tarafından sentezlenen. Sonrası sentez işleme, hidrojen tavlama dahil olmak üzere, asit leaching ve oksijen tavlama nanowire performans ve dayanıklılık oksijen azaltma tepki olarak optimize etmek için kullanılmıştır.
Abstract
Platin-nikel (Pt-Ni) nanowires yakıt hücresi electrocatalysts geliştirilmiş ve performans ve dayanıklılık oksijen azaltma tepki için optimize. Spontan galvanik deplasman Pt katmanları Ni nanowire yüzeyler üzerine yatırmak için kullanıldı. Sentez yaklaşım katalizörler yüksek belirli faaliyetleri ve yüksek Pt yüzey alanları ile üretilen. Hidrojen tavlama Pt ve Ni karıştırma ve belirli aktivite geliştirilmiş. Asit leaching tercihen Ni nanowire yüzey kaldırmak için kullanılan ve oksijen tavlama yüzey yakınındaki Ni, dayanıklılık geliştirmek ve Ni dağılmasından en aza indirmek dengelemek için kullanılmıştır. Bu protokoller hidrojen ile 250 ° C, pozlama 0.1 M nitrik asit ve oksijen 175 ° C'ye tavlama tavlama dahil olmak üzere her sonrası sentez işleme adımının optimizasyonu detay Bu adımları, Pt-Ni nanowires bir büyüklük Pt nano tanecikleri, daha fazla artan faaliyetleri önemli dayanıklılık Gelişmeler sunarken üretti. Sunulan protokolleri Pt-Ni sistemler, yakıt hücresi katalizörler geliştirilmesinde temel alır. Bu teknikler de metal kombinasyonları çeşitli için kullanılan ve elektrokimyasal süreçlerin bir dizi için Katalizörler geliştirmek için uygulanabilir.
Introduction
Proton değişim membran yakıt hücreleri tutar ve maliyet yakıt hücresi maliyeti1yarısı için hesap katalizör katmanındaki gerekli platin tarafından kısmen sınırlıdır. Yakıt hücreleri, reaksiyon kinetically hidrojen oksidasyon yavaş olduğundan Nanomalzemeler oksijen azaltma katalizör, genelde geliştirilir. Karbon destekli Pt nano tanecikleri kez oksijen azaltma electrocatalysts nedeniyle onların yüksek yüzey alanı olarak kullanılır; Ancak, onlar özel seçici faaliyet ve dayanıklılık zararları yatkındır.
Genişletilmiş ince filmler potansiyel nano tanecikleri bu sınırlamaların ele alarak avantajlar. Genişletilmiş Pt yüzeyler genellikle belirli faaliyetleri bir büyüklük nano tanecikleri büyük daha az etkin özellikleri ve parçacık boyutu efektleri sınırlayarak üretmek ve2,3 Bisiklete binme potansiyel altında dayanıklı olduğu gösterilmiştir , 4. yüksek toplu etkinlikler genişletilmiş yüzey electrocatalysts elde, iyileştirmeler belirli aktivite öncelikle artar yapılan ve katalizör türü Pt için düşük yüzey alanı (10 m2 g ile sınırlı olmuştur PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontan galvanik deplasman korozyona ve electrodeposition6yönlerini birleştirir. İşlemi genellikle iki metallerin standart Redoks potansiyeli tarafından yönetilir ve yeminli ifade genellikle metal katyon şablonu daha fazla reaktif oluşur. Yer değiştirme şablonu Morfoloji maç nanoyapıların üretmek eğilimindedir. Bu teknik için genişletilmiş nanoyapıların uygulayarak, Pt tabanlı katalizörler genişletilmiş ince filmlerin yüksek belirli oksijen azaltma faaliyetlerinin yararlanan bir araya gelebilir. Kısmi deplasman, Pt küçük miktarlarda tevdi ve yüksek yüzey alanları (> 90 m2 gPt-1)7,8malzemelerle üretilmiş.
Bu protokoller Pt ve Ni bölgeleri mix ve oksijen azaltma etkinliğini artırmak için tavlama hidrojen içerir. Çalışmalar bir dizi teorik olarak kurulan mekanizma ve deneysel olarak Pt oksijen azaltma Alaşımlandırma yürürlükte doğruladı. Modelleme ve Pt-OH ve Pt-O bağlama oksijen azaltma aktivite birleştiriliyor kafes sıkıştırma9,-10Pt iyileştirmeler yapılabilir öneririz. Daha küçük geçiş metaller ile PT elementlerinin bu parası onaylamıştır ve Pt-Ni çok sayıda formu polikristalin, yönlü elektrotlar, nano tanecikleri ve taşınımı11,12, de dahil olmak üzere, soruşturma 13,14.
Galvanik deplasman çeşitli gümüş, bakır ve kobalt nanoyapıların15,16,17de dahil olmak üzere diğer şablonlar ile Pt-oksijen azaltma katalizör geliştirme kullanılmıştır. Sentez tekniği diğer metallerin birikimi da kullanılmıştır ve yakıt hücreleri, electrolyzers ve elektrokimyasal oksidasyon alkoller18,19,20electrocatalysts üretti, 21. Benzer protokoller de elektrokimyasal uygulamaları daha geniş bir yelpazesi ile Nanomalzemeler sentezi için adapte edilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Pt-Ni Nanowires sentezi
- Yer değiştirme işlemine başlamak için su nikel nanowire şablonunda askıya alma ve 90 ° c ısı
- 40 mg eklemek, piyasada bulunan, nanowires 20 ml deiyonize su 50 mL santrifüj tüpü nikel. 5 min için solüsyon içeren temizleyicide.
Not: Yaklaşık 150-250 nm çapı ve uzunluğu 100-200 µm nanowires vardır. - Askıya alınmış nanowires 250 mL cam alt şişesi yuvarlak transfer ve 60 mL deiyonize su ekleyin. Şişeye bir mineral yağ banyosunda 90 ° c ısı. Reaksiyon karışımı 500 rpm'de bağlı bir cam şaft ve elektrikli karıştırıcı bir politetrafloroetilen oynamaya ilave edin.
- 40 mg eklemek, piyasada bulunan, nanowires 20 ml deiyonize su 50 mL santrifüj tüpü nikel. 5 min için solüsyon içeren temizleyicide.
- Pt-Ni nanowires tarafından kendiliğinden galvanik deplasman oluştururlar.
- Potasyum tetrachloroplatinate 8.1 mg 15 mL deiyonize su ekleyin. Yaklaşık 8 cm 0,318 cm poliüretan esaslı hortumunun ucuna kadar bağlı 20 mL şırınga çözüm ekleyin. Şırınga bir otomatik enjektör pompası yerleştirin ve 1 mL/dk için oranını ayarlamak.
- Ve yuvarlak alt şişesi üzerinde 15 dk. ısı şişeye 90 ° c 2 h için çözüm eklemek pompa izin şırınga pompa başlayın.
- 2500 x g 15dk için de çözüm santrifüj kapasitesi ve süpernatant atık akışı içine dökün. Solidswith banyo sonication resuspend (yaklaşık 10 s) taze çözüm (su veya 2-propanol, belirtildiği gibi) kullanarak. Çözüm yine santrifüj kapasitesi ve süpernatant kaldırın. Üç kez deiyonize su ile yıkama işlemi ve 2-propanol ile sonra bir kez yineleyin.
- Pt-Ni nanowires gecede bir vakum fırında 40 ° C'de (yaklaşık 16 h) kuru.
2. kompozisyon İndüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometresi (ICP-MS) ile kontrol edin.
Not: Catalyst kompozisyon 7.3 ± 0,3 olmalıdır WT % Pt.
- Aqua regia, oda sıcaklığında 10 ml örnek Özet 1 mg bir gecede.
- Dilutions % 1.5 hidroklorik ve % 0,5 nitrik asit, bir matris eşleşen konsantrasyonları 200, 20 ve 2 App, oranında seyreltin.
- Digestate 20 µL 9.98 mL stok çözeltisi (% 1.5 hidroklorik ve % 0,5 nitrik asit) 200 App için içine ekleyin; Digestate 10.00 mL 20 App için stok çözeltisi (% 1.5 hidroklorik ve % 0,5 nitrik asit) içine 2 µL; ve digestate içine 10.00 mL stok çözeltisi (% 1.5 hidroklorik ve % 0,5 nitrik asit) 2 App için 0.2 µL. Dilutions 0.4 µm politetrafloroetilen tabanlı filtre kullanarak filtre.
3. sonrası sentez sürecinin tavlama ve asit Leaching Pt-Ni Nanowires.
- Hidrojen tavlama sentezlenmiş Pt-Ni nanowires.
- Tüm nanowire örnek bir borulu fırın için ekleyin. Vakum tüp gecede uygulanır.
Not: beri gaz akışı (hidrojen, oksijen) borulu fırın yükseltilmiş sıcaklıkta kullanıldı, güvenlik konuları gerekli. Tüp gaz bağlantı aparatı vakum ve 500 Torr arka baskı işlemi sırasında halledebiliriz emin olmak için inşa edildi. Tüp çıkış egzoz Bacalı ve tüm fırın bir egzoz hattına Bacalı bir muhafaza içinde yerleştirildi.- Hidrojen bir düşük Debi ile geri dönüş basıncı 500 Torr tüp beslenir.
- Örnek 10 ° C/dak rampa kuru kullanılarak 2s için 250 ° c ısı.
- Doğal olarak oda sıcaklığında soğumaya örnek için izin.
- Asit leach hidrojen Pt-Ni nanowires komplementer.
- Nanowires 25 mg 20 mL deiyonize su ekleyin ve banyo bu solüsyon içeren temizleyicide. Askıya alınmış nanowires yuvarlak alt şişe 100 mL aktarın.
- Nitrik asit şişeye (0.2 M nitrik asit 25 mL su/nanowire süspansiyon için 25 mL), şişesi içeriği için 50 mL 0.1 M nitrik asit getirmek ve tek tip bir konsantrasyon sağlamak için balonun sallamak için oda sıcaklığında seyreltilmiş ekleyin. Nitrik asit tek seferde ekle.
- Şişeye Schlenk hattýna baðlayýn. 10 dk için vakum açmak ve vakum kapatın. Yavaş yavaş azot gazı hattına ekleyin ve 2 h. şişeye Schlenk satırından kaldırmak ve 1.2.3. adımda açıklandığı gibi ürünleri yıkama için oda sıcaklığında devam etmek cep şişesi.
- 15,2 ± 0,3 olmalıdır ICP-MS ile kompozisyon kontrol WT % Pt.
- Oksijen tavlama asit leached Pt-Ni nanowires.
- Nanowires ticari olarak mevcut borulu fırın için ekleyin. Vakum tüp gecede uygulanır.
- Düşük akış hızı oksijen tüp 500 Torr arka baskı ile beslenir.
- Örnek 10 ° C/dak rampa kuru kullanılarak 2s için 175 ° c ısı.
- Doğal olarak oda sıcaklığında soğumaya örnek için izin.
4. mamüllerinin Disk elektrot (RDE) dönen içinde Nanowires karakterize Half-Cells8
- Cam gibi karbon çalışma elektrotlar kat.
- Nk, 73 µg içeren katalizör 7.6 mL deiyonize suyla 20 mL mercek şişe ekleyin ve 2-propanol 2.4 mL ekleyin. Şişe içeriği daha sonra mürekkep olarak adlandırılır. 5 min için mürekkep buz ve piyasada bulunan bir İonomeri 10 µL ekleyin.
Not: olarak-sentez için ve hidrojen komplementer katalizör, 1 mg (7,3 WT % Pt) kullanılması gerekir. Asit yıkanır ve oksijen katalizör komplementer için 480 µg (15,2 WT % Pt) kullanılmalıdır. - Buz, 30 mürekkeple solüsyon içeren temizleyicide s boynuz tarafından takip tarafından 20 dk banyo ve 30 tarafından boynuz tarafından s. Mürekkep 7.5 mL 0.5 mg Garafitleme karbon nanofibers ekleyin.
- Buz, 30 mürekkeple solüsyon içeren temizleyicide s boynuz tarafından takip tarafından 20 dk banyo ve 30 tarafından boynuz tarafından s. 100 rpm'de dönen ters elektrot ile mürekkep bir cam gibi karbon çalışma elektrot (5 mm dış çap), üzerine 10 µL pipet. Mürekkep pipetting sonra 700 RPM döndürme artırın.
- Mürekkebi yeniden (30 s boynuz, 20 dk Hamamı, 30 s boynuz) elektrot kurur süre solüsyon içeren temizleyicide ve elektrot üzerine ek bir mürekkep (10 µL) pipette. Yükleme için 1.9 µg cmelec-2, mürekkep damlaları beş 10 µL artırmak için kaplama işlemine devam edin.
- Nk, 73 µg içeren katalizör 7.6 mL deiyonize suyla 20 mL mercek şişe ekleyin ve 2-propanol 2.4 mL ekleyin. Şişe içeriği daha sonra mürekkep olarak adlandırılır. 5 min için mürekkep buz ve piyasada bulunan bir İonomeri 10 µL ekleyin.
- RDE test istasyonu bir araya getirin.
- Züccaciye Mağazaları konsantre sülfürik asit geceleme soak. Daha sonra geceleme kromik asit için piyasada bulunan bir yedek cam emmek. Sekiz kez deiyonize su kaynatın. Züccaciye Mağazaları, ana test hücreye çalışma, sayaç ve referans elektrotlar bağlanarak topla.
Not: RDE half-cells üç elektrot yapılandırması kullanın. Çalışma ve sayaç elektrotlar cam gibi karbon ve Pt kafes, sırasıyla idi. Referans elektrot bir tersinir hidrojen elektrodu (RHE), bir Pt oldu cam bubbler 0,1 M Perklorik asit elektrolit ile yer alan tel. - RDE half-cell 0.1 M Perklorik asit ile doldurun. Çalışma elektrot bir piyasada bulunan modüle edilmiş hız denetleyicisine bağlanmak ve çalışma elektrot uç daldırın.
- Piyasada bulunan bir potansiyostat ile elektrokimyasal ölçümler almak. Elektrolit 7 min için azot ile tasfiye.
- Züccaciye Mağazaları konsantre sülfürik asit geceleme soak. Daha sonra geceleme kromik asit için piyasada bulunan bir yedek cam emmek. Sekiz kez deiyonize su kaynatın. Züccaciye Mağazaları, ana test hücreye çalışma, sayaç ve referans elektrotlar bağlanarak topla.
- Elektrokimyasal yüzey alanlarını al.
- Potansiyostat üreticisi tarafından sağlanan bir otomatik siklik voltammetry dosyasına giriş parametreleri. Döngüsü 50, 100 mV s-1, 0,025 V alt potansiyeline ve Çalıştır V. 1.4 üst potansiyeline tarama oranı siklik voltammetry dosya ayarlamak ve elektrolit atın. 0.1 M Perklorik asit ile dolum ve karbon monoksit ile tasfiye.
- Giriş parametreleri otomatik bir potansiyel potansiyostat üreticisi tarafından sağlanan dosya tutun. Potansiyel 0,1 V ve saat 20 dk ayarlayın ve çalışma elektrot 2500 devirde dönen başlatın. Potansiyel tutun dosyasını çalıştırın: programın ilk 10 dakikadır karbon monoksit; temizle Programın ikinci 10 dakikadır azot temizle. Son 30 sırasında s bekleme, döndürmeyi devre dışı bırakmak ve elektrolit paket için bubbler ayarlayın.
- Potansiyostat üreticisi tarafından sağlanan bir otomatik siklik voltammetry dosyasına giriş parametreleri. Döngüsü sayısı 3, tarama hızı 20 mV s-1, 0,1 V başlangıç potansiyeline, 0,025 V alt potansiyeline ve Çalıştır V. 1,2 üst potansiyeline çevrimsel voltammetry dosyasını ayarlayın.
- Oksijen azaltma polarizasyon eğrileri al.
- Elektrolit en az 7 min için oksijen ile 2500 rpm döndürme çalışma elektrodu ile tasfiye.
- Oksijen tasfiye elektrolit battaniye ayarla ve çalışma elektrot döndürme 1600 devir/dakika'yavaş.
- Potansiyostat üreticisi tarafından sağlanan bir otomatik doğrusal süpürme voltammetry dosyasına giriş parametreleri. Döngüsü sayısı 10, tarama hızı 20 mV s-1,-0.1 V başlangıç potansiyeline ve Çalıştır V. 1,05 son potansiyeline doğrusal süpürme voltammetry dosyasını ayarlayın. Elektrolit atmak.
- 0.1 M Perklorik asit ile dolum ve en az 7 dk. Rerun doğrusal süpürme voltammetry dosya 4.4.3 adımda kullanılan oksijen ile tasfiye.
- Dayanıklılık testleri çalıştırın.
- Elektrolit azot ile çalışma elektrot 2500 RPM döndürme sırasında temizle. Azot tasfiye battaniye elektrolit ayarlayabilir ve çalışma elektrot rotasyon durdurmak.
- Potansiyostat üreticisi tarafından sağlanan bir otomatik siklik voltammetry dosyasına giriş parametreleri. Döngü sayısı 30.000, tarama hızı 500 mV s-1, 0,6 V alt potansiyeline ve Çalıştır V. 1,0 üst potansiyeline çevrimsel voltammetry dosyasını ayarlayın.
- Dayanıklılık sonra elektrokimyasal yüzey alanlarını ve oksijen azaltma polarizasyon eğrileri 4.3 ve 4.4 numaralı adımlarda sağlanan iletişim kurallarını kullanarak alın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ni nanowires ile belirtilen miktar kullanarak Pt, spontan galvanik deplasman 7.3 WT % Pt (Resim 1 ve Şekil 2A) idi Pt-Ni nanowires üretti. Bazı değişiklik miktarı ile Pt habercisi yükleme optimum Pt ulaşmak için gerekli. PT yer değiştirme şablonu yaş (Hava pozlama) ve ters yönde değişkenlik22göre değişebilir yüzey Ni oksit tabakası, kalınlığı duyarlıdır. Kompozisyon, ancak, yüksek etkinlik sağlamak için önemlidir ve ICP-MS en iyi kompozisyon emin olmak için kullanılmıştır. RDE test iletişim kuralları dahil edilmiştir, beri bu protokollerin doğru sentez onaylamak ve işleme parametrelerini kritik şunlardır. Katalizörler, bu kompozisyon (7,3 WT % Pt) en yüksek oksijen azaltma toplu etkinlik7üretti. Pt ifade daha yüksek miktarda daha düşük elektrokimyasal yüzey alanlarını alt Pt kullanımı ve daha kalın Pt katmanları (Şekil 2b) oluşumu atfedilen sonuçlandı. Etkinliği damla Pt nanopartikül bulgular2daha hafif olmasına rağmen Pt daha düşük miktarda daha düşük özel etkinlik, potansiyel bir parçacık boyut etkisi nedeniyle sonuçlandı.
Hidrojen tavlama Pt ve Ni bölgelerine entegre ve Pt kafes8sıkıştırmak için gerekli oldu. Kafes sıkıştırma oksijen azaltma etkinliğini geliştirmek ve 250 ° C-tavlama üretilen en iyi kitle etkinlik (şekil 3). Her ne kadar belirli aktivite daha yüksek tavlama sıcaklık artmaya devam etmiştir, elektrokimyasal yüzey alanı potansiyel yüzeyde yeniden sıralama Pt nedeniyle azalmıştır.
Her ne kadar yüksek oksijen azaltma etkinliğini üretilen hidrojen tavlama, dayanıklılık testi büyük performans kayıpları ve Ni dağılması yüksek miktarda sonuçlandı. Asit leaching tercihen Ni kaldırmak için kullanılan ve oksijen tavlama dayanıklılık geliştirmek ve Ni dağılması8,22en aza indirmek için kullanılır. 15,2 WT % Pt ve oksijen 175 ° C-tavlama asit leaching en uygun faaliyet ve dayanıklılık (Tablo 1) üretti. Eğer daha fazla miktarda kaldırma asit döngülerine adımda, yüksek dayanıklılık oluştu Ni elde, ama ilk performansı pahasına. Yüksek Pt kompozisyon nanowires alt özel etkinlik (etkisi dealloying) üretilen ve malzemeler daha az faiz electrocatalytically vardı. Ni kaldırma daha düşük miktarda asit döngülerine adımda oluştuysa, Ni büyük miktarda hala yüzeyde kaldı. Oksijen tavlama Ni kararlılık sırasında elektrokimyasal Klima Pt sitelere erişimi önleme nanowire yüzeye yakın geliştirildi. 175 ° C sıcaklık tavlama oksijen gerek yeraltı Ni test, hala sırasında Klima Pt erişim için izin verirken dayanıklılık için stabilize etmek için arasında bir denge sağlamak. 15,2 WT % Pt idi nanowires daha yüksek oksijen sıcaklıklar tavlama alt ilk etkinlik üretilen; Bunun tersi olarak, düşük oksijen tavlama sıcaklıkları daha yüksek dayanıklılık kayıp ve Ni nın yüksek derece sonuçlandı.
Resim 1 . Spontan galvanik yer değiştirme işleminin şematik. Şematik spontan galvanik deplasman sürecinin bir metal şablonu (mavi)6yerinden daha asil bir metal katyon (kırmızı) ile. S. M. diğerlerinin yanı sıra, Y. S. Yan ve B. S. Pivovar, kataliz bilim ve teknoloji, 4, izniyle 3589 (uyarlama) yeniden basıldı (2014). Telif hakkı 2014 Royal Society Kimya. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 . PT-Ni nanowires sentez: kendi kompozisyon ve yüzey alanı. (A)Pt-Ni nanowire kompozisyon Pt habercisi (potasyum tetrachloroplatinate) miktarı bir fonksiyonu olarak sırasında galvanik deplasman Ni nanowires 40 mg için eklendi. (B) elektrokimyasal yüzey alanları sentezlenmiş Pt-Ni nanowires Pt deplasman7düzeyini bir fonksiyonu olarak. Hata çubukları ölçüm standart sapmasını ifade ederken veri noktaları ortalama değerini gösterir. 1114 S. M. diğerlerinin yanı sıra, d. A. Larsen, S. Pylypenko, ö. A. Cullen, ö. R. Diercks, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha ve B. S. Pivovar, ACS kataliz, 4, izni ile (uyarlama) yayımlanmaktadır (2014). Telif hakkı 2014 Amerikan Kimya Derneği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 . Oksijen azaltma toplu etkinlik hidrojen komplementer Pt-Ni nanowires tavlama sıcaklığı8bir fonksiyonu olarak. Hata çubukları ölçüm standart sapmasını ifade ederken veri noktaları ortalama değerini gösterir. Yeniden basıldı (S. M. diğerlerinin yanı sıra, C. sivil toplum örgütü, izniyle uyarlanmıştır) S., etmeliydin, M. A. Ha, A. A. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko ve B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Telif hakkı 2017 Amerikan Kimya Derneği. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
| Katalizör | Benm, ben0.9V [mA mgPt\u20121] |
Benm, f0.9V [mA mgPt\u20121] |
| PT-Ni | 1653 | 1339 |
| H2 | 5213 | 3962 |
| Asit | 3583 | 3153 |
| O2 | 5414 | 5305 |
| PT/HSC | 500 | 375 |
Tablo 1. Oksijen azaltma toplu etkinlikler öncesinde (Benm, ben) ve aşağıdaki (Benm, f) half-cell dayanıklılık testi. Değerlendirilmiş katalizörler olarak sentezlenmiş (Pt-Ni), hidrojen (H2) komplementer, asit yıkanır (asit) ve oksijen (O2) komplementer Pt-Ni nanowires içerir. Pt nano tanecikleri (Pt/HSC) karbon destekli half-cell performansını Ayrıca başvuru8olarak sağlandı. Yeniden basıldı (S. M. diğerlerinin yanı sıra, C. sivil toplum örgütü, izniyle uyarlanmıştır) S., etmeliydin, M. A. Ha, A. A. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko ve B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Telif hakkı 2017 Amerikan Kimya Derneği.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu protokoller yüksek yüzey alanları ve oksijen azaltma tepki8belirli faaliyetleri ile genişletilmiş yüzey electrocatalysts üretmek için kullanılmaktadır. Pt nanostructured Şablonlar yatırma tarafından nanowires düşük koordine siteleri kaçınılması ve üretim belirli faaliyetleri 12 kat daha fazla karbon destekli Pt nano tanecikleri parçacık boyutu etkileri en aza indirmek. Galvanik deplasman sentez yaklaşımı kullanarak da Ni şablon7üzerinde yaklaşık bir kaplama üretti. Pt deplasman düşük düzeyde, bu süreç 90 m2 gPt-1, genişletilmiş yüzey katalizörler önemli bir atılım aşan elektrokimyasal yüzey alanlarını üretti.
Hidrojen tavlama performans8geliştirmek için ihtiyaç vardı. Yüksek sıcaklıkları tavlama Pt kafes sıkıştırma zayıflaması Pt-O chemisorption9,10tarafından neden Alaşımlandırma efekt olarak rasyonalize oksijen azaltma özel faaliyetin geliştirilmiş. Adım tavlama hidrojen ilk etkinlik geliştirilmiş rağmen yüksek dayanıklılık ve Ni dağılması kayıp bir endişe vardı. Asit leaching ve oksijen tavlama bu kayıpları en aza indirmek için kullanılmıştır. En iyi duruma getirilmiş Pt-Ni nanowires oksijen azaltma kitle faaliyetlerine on kat daha fazla karbon destekli Pt nano tanecikleri ve üç kat daha fazla sentezlenmiş teller üretti. Önemli gelişmeler de % 3 toplu etkinlik (kayıp %21 olarak sentez) kayıp nanowire dayanıklılık için yapılmıştır ve Ni dağılması (olarak sentezlenmiş kayıp % 7) için katalizör kütlesinin % 0,3.
PT-Ni nanowires geliştirilen ve RDE half-cells onların performans için optimize edilmiştir. RDE test kez tarama, temel özellikleri ve elektrokimyasal bir katalizör yeteneklerini değerlendirmek için katalizör kullanılır. RDE etkinlik, ancak, benzer yakıt hücresi performans garanti etmez ve etkinlik kayıp toplu taşıma ve elektronik ve iyonik direnci nedeniyle membran elektrot derlemeler içerir. Bu iletişim kuralları içinde geliştirilen Pt-Ni nanowires daha fazla büyüklük daha yüksek etkinlik Pt nano tanecikleri yanı sıra geliştirilmiş dayanıklılık göstermektedir. Bu sonuçlar Pt-Ni nanowires maliyet-performans ölçülerini karşılamak için yakıt hücresi elektrot yükleri azaltmak olabilir öneririz, etkili bir şekilde bu malzemelerin membran elektrot derlemeler birleşmeyle önemli bir meydan okuma kalır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Mali destek ABD Enerji Bakanlığı, Office enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji tarafından sözleşme numarası DE-AC36-08GO28308 altında NREL için sağlanan.
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
- Papageorgopoulos, D. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/fc000_papageorgopoulos_2014_o.pdf (2014).
- Bregoli, L. J. Influence of Platinum Crystallite Size on Electrochemical Reduction of Oxygen in Phosphoric-Acid. Electrochim. Acta. 23 (6), 489-492 (1978).
- Debe, M. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review09/fc_17_debe.pdf (2009).
- Debe, M. K., Parsonage, E. E. Nanostructured electrode membranes. US patent. , (1994).
- Papandrew, A. B., et al. Oxygen Reduction Activity of Vapor-Grown Platinum Nanotubes. ECS Trans. 50 (2), 1397-1403 (2013).
- Alia, S. M., Yan, Y. S., Pivovar, B. S. Galvanic displacement as a route to highly active and durable extended surface electrocatalysts. Cat. Sci. Tech. 4 (10), 3589-3600 (2014).
- Alia, S. M., et al. Platinum-Coated Nickel Nanowires as Oxygen-Reducing Electrocatalysts. ACS Cat. 4 (4), 1114-1119 (2014).
- Alia, S. M., et al. Exceptional Oxygen Reduction Reaction Activity and Durability of Platinum-Nickel Nanowires through Synthesis and Post-Treatment Optimization. ACS Omega. 2 (4), 1408-1418 (2017).
- Norskov, J., et al. Origin of the Overpotential for Oxygen Reduction at a Fuel-Cell Cathode. J. Phys. Chem. B. 108 (46), 17886-17892 (2004).
- Sha, Y., Yu, T. H., Merinov, B. V., Shirvanian, P., Goddard, W. A. Mechanism for Oxygen Reduction Reaction on Pt3Ni Alloy Fuel Cell Cathode. J. Phys. Chem. C. 116 (40), 21334-21342 (2012).
- Paulus, U. A., et al. Oxygen reduction on high surface area Pt-based alloy catalysts in comparison to well defined smooth bulk alloy electrodes. Electrochim. Acta. 47 (22-23), 3787-3798 (2002).
- Stamenkovic, V., et al. Changing the activity of electrocatalysts for oxygen reduction by tuning the surface electronic structure. Angew. Chem. 118 (18), 2963-2967 (2006).
- Cui, C., Gan, L., Heggen, M., Rudi, S., Strasser, P. Compositional segregation in shaped Pt alloy nanoparticles and their structural behaviour during electrocatalysis. Nat Mater. 12 (8), 765-771 (2013).
- Chen, C., et al. Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces. Science. 343 (6177), 1339-1343 (2014).
- Alia, S., et al. Porous Platinum Nanotubes for Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Reactions. Adv. Funct. Mater. 20 (21), 3742-3746 (2010).
- Alia, S. M., et al. Platinum Coated Copper Nanowires and Platinum Nanotubes as Oxygen Reduction Electrocatalysts. ACS Cat. 3 (3), 358-362 (2013).
- Alia, S. M., et al. Platinum-Coated Cobalt Nanowires as Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts. ACS Cat. 4 (8), 2680-2686 (2014).
- Alia, S. M., Duong, K., Liu, T., Jensen, K., Yan, Y. Palladium and Gold Nanotubes as Oxygen Reduction Reaction and Alcohol Oxidation Reaction Catalysts in Base. ChemSusChem. , (2014).
- Xu, H. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/pd103_xu_2014_o.pdf (2014).
- Xu, H. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/pd103_xu_2015_o.pdf (2015).
- Alia, S. M., Pylypenko, S., Neyerlin, K. C., Kocha, S. S., Pivovar, B. S. Platinum Nickel Nanowires as Methanol Oxidation Electrocatalysts. J. Electrochem. Soc. 162 (12), 1299-1304 (2015).
- Alia, S. M., et al. Oxidation of Platinum Nickel Nanowires to Improve Durability of Oxygen-Reducing Electrocatalysts. J. Electrochem. Soc. 163 (3), 296-301 (2016).
