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Chemistry

ऑक्सीजन की कमी के प्रदर्शन के लिए प्लेटिनम निकल Nanowires और अनुकूलन का संश्लेषण

Published: April 27, 2018 doi: 10.3791/56667
Automatic Translation
1, 1
1Chemistry and Nanoscience Center, National Renewable Energy Laboratory

Summary

प्रोटोकॉल प्लैटिनम निकल nanowires के संश्लेषण और विद्युत परीक्षण का वर्णन करता है । Nanowires निकल nanowire टेम्पलेट के करनेवाली विस्थापन द्वारा संश्लेषित किए गए. बाद संश्लेषण प्रसंस्करण, हाइड्रोजन एनीलिंग सहित, एसिड नमकीन पानी, और ऑक्सीजन एनीलिंग ऑक्सीजन में कमी प्रतिक्रिया में nanowire प्रदर्शन और स्थायित्व का अनुकूलन करने के लिए इस्तेमाल किया गया ।

Abstract

प्लैटिनम निकल (Pt-Ni) nanowires ईंधन सेल electrocatalysts के रूप में विकसित किया गया है, और प्रदर्शन और ऑक्सीजन में कमी प्रतिक्रिया के लिए अनुकूलित किया गया । सहज करनेवाली विस्थापन एनआई nanowire सब्सट्रेट पर पीटी परतों जमा करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. संश्लेषण दृष्टिकोण उच्च विशिष्ट गतिविधियों और उच्च पीटी सतह क्षेत्रों के साथ उत्प्रेरक का उत्पादन किया । हाइड्रोजन एनीलिंग पीटी और एनआई मिश्रण और विशिष्ट गतिविधि में सुधार हुआ है । एसिड नमकीन पानी तरजीही nanowire सतह के पास एनआई हटाने के लिए इस्तेमाल किया गया था, और ऑक्सीजन एनीलिंग के पास सतह नी स्थिर करने के लिए इस्तेमाल किया गया था, स्थायित्व में सुधार और नी विघटन को कम करने. इन प्रोटोकॉल विस्तार से प्रत्येक के बाद संश्लेषण प्रसंस्करण कदम, हाइड्रोजन एनीलिंग को २५० ° c, ०.१ M नाइट्रिक एसिड के लिए जोखिम, और १७५ ° c करने के लिए ऑक्सीजन एनीलिंग सहित चरण, का अनुकूलन । इन कदमों के माध्यम से, पीटी nanowires वृद्धि हुई गतिविधियों से अधिक परिमाण के एक आदेश से पीटी नैनोकणों का उत्पादन किया, जबकि महत्वपूर्ण स्थायित्व सुधार की पेशकश की । प्रस्तुत प्रोटोकॉल ईंधन सेल उत्प्रेरक के विकास में पीटी-एनआई सिस्टम पर आधारित हैं । इन तकनीकों को भी धातु संयोजन की एक किस्म के लिए इस्तेमाल किया गया है, और विद्युत प्रक्रियाओं की एक संख्या के लिए उत्प्रेरक विकसित करने के लिए लागू किया जा सकता है ।

Introduction

प्रोटॉन एक्सचेंज झिल्ली ईंधन कोशिकाओं आंशिक रूप से मात्रा और प्लैटिनम की लागत उत्प्रेरक परत में आवश्यक द्वारा सीमित हैं, जो ईंधन सेल के आधे के लिए खाते में कर सकते है1लागत । ईंधन कोशिकाओं में, मैटीरियल्स आमतौर पर ऑक्सीजन की कमी उत्प्रेरक के रूप में विकसित कर रहे हैं, के बाद से प्रतिक्रिया काइनेटिक हाइड्रोजन ऑक्सीकरण से भी धीमी है । कार्बन समर्थित पीटी नैनोकणों अक्सर उनके उच्च सतह क्षेत्र के कारण ऑक्सीजन की कमी electrocatalysts के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं; हालांकि, वे विशिष्ट चयनात्मक गतिविधि है और स्थायित्व घाटे के लिए प्रवण हैं ।

विस्तारित पतली फिल्में इन सीमाओं को संबोधित करके नैनोकणों को संभावित लाभ प्रदान करती हैं । विस्तारित पीटी सतहों आम तौर पर विशिष्ट गतिविधियों नैनोकणों से अधिक परिमाण के एक आदेश का उत्पादन, कम सक्रिय पहलुओं और कण आकार प्रभाव सीमित द्वारा, और के लिए संभावित सायक्लिंग2के तहत टिकाऊ होना दिखाया गया है,3 , 4. जबकि उच्च जन गतिविधियों विस्तारित सतह electrocatalysts में प्राप्त किया गया है, सुधार मुख्य रूप से विशिष्ट गतिविधि में वृद्धि के माध्यम से किया गया है, और उत्प्रेरक प्रकार एक कम सतह क्षेत्र के साथ पीटी करने के लिए सीमित किया गया है (10 एम2 जी पीटी -1) 3 , 4 , 5.

सहज करनेवाली विस्थापन जंग और electrodeposition6के पहलुओं को जोड़ती है । प्रक्रिया आमतौर पर दो धातुओं के मानक redox क्षमता से संचालित है, और जमाव आमतौर पर तब होता है जब धातु कटियन टेंपलेट से अधिक प्रतिक्रियाशील है । विस्थापन nanostructures का उत्पादन करने के लिए जाता है कि टेंपलेट आकृति विज्ञान से मेल खाते हैं । विस्तारित nanostructures के लिए इस तकनीक को लागू करने से, पीटी आधारित उत्प्रेरक का गठन किया जा सकता है कि विस्तारित पतली फिल्मों की उच्च विशिष्ट ऑक्सीजन कमी गतिविधि का लाभ ले लो । आंशिक विस्थापन के माध्यम से, पीटी की छोटी राशि जमा किया गया है, और उच्च सतह क्षेत्रों (> ९० एम2 जीपीटी-1)7,8के साथ सामग्री का उत्पादन किया ।

इन प्रोटोकॉल शामिल करने के लिए पीटी और एनआई क्षेत्रों हाइड्रोजन एनीलिंग और ऑक्सीजन में कमी गतिविधि में सुधार. अध्ययन के एक नंबर सैद्धांतिक रूप से तंत्र की स्थापना की है और प्रयोग पीटी ऑक्सीजन की कमी में एक मिश्र धातु प्रभाव की पुष्टि की । मॉडलिंग और correlating पीटी-ओह और पीटी-ओ ऑक्सीजन कमी गतिविधि के लिए बाध्यकारी सुझाव है कि पीटी सुधार जाली संपीड़न के माध्यम से किया जा सकता है9,10। मिश्र धातु छोटे संक्रमण धातुओं के साथ पीटी इस लाभ की पुष्टि की है, और pt-Ni polycrystalline, पहलुओं इलेक्ट्रोड, नैनोकणों, और nanostructures11,12सहित रूपों की एक संख्या में जांच की गई है, 13,14.

करनेवाली विस्थापन पीटी में इस्तेमाल किया गया है ऑक्सीजन की कमी उत्प्रेरक विकास अन्य टेम्पलेट्स की एक किस्म के साथ, चांदी, तांबा सहित, और कोबाल्ट nanostructures15,16,17. संश्लेषण तकनीक भी अंय धातुओं के जमाव में इस्तेमाल किया गया है और ईंधन की कोशिकाओं, electrolyzers, और शराब के विद्युत ऑक्सीकरण के लिए electrocatalysts का उत्पादन18,19,20, 21. इसी तरह के प्रोटोकॉल भी विद्युत अनुप्रयोगों की एक व्यापक रेंज के साथ मैटीरियल्स के संश्लेषण के लिए अनुकूलित किया जा सकता है ।

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Protocol

1. पं-नी Nanowires का संश्लेषण

  1. विस्थापन की प्रक्रिया शुरू करने के लिए, निकल nanowire पानी में टेंपलेट निलंबित और ९० डिग्री सेल्सियस के लिए गर्मी ।
    1. जोड़ें ४० व्यावसायिक रूप से उपलब्ध की मिलीग्राम, निकेल nanowires एक ५० एमएल केंद्रापसारक ट्यूब में पानी की 20 मिलीलीटर के लिए । यह 5 मिनट के लिए Sonicate ।
      नोट: nanowires व्यास में लगभग 150-250 एनएम और 100-200 µm लंबाई में हैं ।
    2. निलंबित nanowires एक २५० मिलीलीटर गिलास गोल नीचे कुप्पी करने के लिए स्थानांतरण और जल के ६० मिलीलीटर जोड़ें । एक खनिज तेल स्नान में ९० डिग्री सेल्सियस के लिए कुप्पी गर्मी । एक polytetrafluoroethylene चप्पू एक गिलास शाफ्ट और बिजली की सरगर्मी से जुड़े के साथ ५०० rpm पर प्रतिक्रिया मिश्रण हिलाओ ।
  2. रूप से पीटी-नी nanowires को सहज करनेवाली विस्थापन से.
    1. जोड़ें ८.१ पोटेशियम tetrachloroplatinate के मिलीग्राम 15 मिलीलीटर पानी की । एक 20 एमएल के साथ सिरिंज के समाधान जोड़ें ०.३१८ सेमी के लगभग 8 सेमी आधारित टयूबिंग टिप से जुड़ी । एक स्वचालित सिरिंज पंप में सिरिंज प्लेस और 1 मिलीलीटर के लिए दर निर्धारित/
    2. सिरिंज पंप शुरू और पंप 15 मिनट से अधिक गोल नीचे कुप्पी के समाधान जोड़ने के लिए अनुमति देते हैं । 2 एच के लिए ९० डिग्री सेल्सियस पर कुप्पी गर्मी ।
    3. 15 मिनट के लिए २,५०० x g पर समाधान केंद्रापसारक, और एक बेकार धारा में supernatant डालना । solidswith स्नान sonication (लगभग 10 ओं) ताजा समाधान का उपयोग (पानी या 2-propanol, के रूप में निर्दिष्ट) reसस्पेंड । समाधान फिर से केंद्रापसारक और supernatant हटा दें । धोने की प्रक्रिया को तीन बार जल के साथ दोहराएं और फिर 2-propanol के साथ एक बार करें ।
    4. रात भर एक वैक्यूम ओवन में ४० ° c पर पीटी-Ni nanowires (लगभग 16 ज) सूखी ।

2. Inductively युग्मित प्लाज्मा के साथ संरचना की जांच करें-मास स्पेक्ट्रोमेट्री (आईसीपी-MS) ।

नोट: उत्प्रेरक संरचना होना चाहिए ७.३ ± ०.३ wt.% पं.

  1. डाइजेस्ट 1 एक्वा regia के 10 मिलीलीटर में कमरे के तापमान पर रात भर मिलीग्राम का नमूना ।
  2. २०० की सांद्रता के लिए पतला, 20, और 2 ppb, एक मैट्रिक्स मिलान के साथ कमजोर पड़ने के लिए १.५% हाइड्रोक्लोरिक और ०.५% नाइट्रिक एसिड.
    1. digestate के 20 µ l को ९.९८ मिलीलीटर के स्टॉक सॉल्यूशन में जोड़ें (१.५% हाइड्रोक्लोरिक और ०.५% नाइट्रिक एसिड) २०० ppb के लिए; digestate के 2 µ एल स्टॉक समाधान के १०.०० मिलीलीटर में (१.५% हाइड्रोक्लोरिक और ०.५% नाइट्रिक एसिड) 20 ppb के लिए; और digestate के ०.२ µ एल स्टॉक समाधान के १०.०० मिलीलीटर में (१.५% हाइड्रोक्लोरिक और ०.५% नाइट्रिक एसिड) 2 ppb के लिए । फ़िल्टर एक ०.४ µm polytetrafluoroethylene-आधारित फिल्टर का उपयोग कर कमजोर पड़ने ।

3. एनीलिंग और एसिड नमकीन पानी द्वारा पीटी-नी Nanowires के बाद संश्लेषण की प्रक्रिया ।

  1. हाइड्रोजन के संश्लेषित पीटी-नी nanowires ।
  2. एक ट्यूबलर भट्ठी के लिए पूरे nanowire नमूना जोड़ें । ट्यूब पर वैक्यूम रात भर लागू करें ।
    नोट: के बाद से गैस प्रवाह (हाइड्रोजन, ऑक्सीजन) ट्यूबलर भट्ठी में ऊंचा तापमान पर इस्तेमाल किया गया था, सुरक्षा विचार आवश्यक थे । ट्यूब गैस कनेक्शन सुनिश्चित करने के लिए कि उपकरण वैक्यूम संभाल सकता है और ऑपरेशन के दौरान वापस दबाव के ५०० Torr बनाया गया था । ट्यूब आउटलेट निकास के लिए निकाल दिया गया था, और पूरी भट्ठी एक निकास लाइन के लिए निकाली बाड़े में रखा गया था ।
    1. पीठ के दबाव के ५०० Torr के साथ ट्यूब में हाइड्रोजन की एक कम प्रवाह दर फ़ीड ।
    2. 2 घंटे के लिए २५० ° c के लिए नमूना गर्मी, एक 10 डिग्री सेल्सियस का उपयोग/
    3. स्वाभाविक रूप से कमरे के तापमान को शांत करने के लिए नमूने के लिए अनुमति दें ।
  3. एसिड नमकीन पानी हाइड्रोजन annealed पॉइंट-नी nanowires ।
    1. जोड़ें 25 nanowires के मिलीग्राम 20 के लिए पानी और स्नान sonicate । निलंबित nanowires को १०० मिलीलीटर गोल नीचे कुप्पी में स्थानांतरित करें ।
    2. कमरे के तापमान में जोड़ें कुप्पी (०.२ एम नाइट्रिक एसिड के 25 मिलीलीटर के लिए पानी के 25 एमएल/nanowire निलंबन), ०.१ मीटर नाइट्रिक एसिड के ५० मिलीलीटर के लिए कुप्पी सामग्री लाने के लिए, और एक समान एकाग्रता सुनिश्चित करने के लिए कुप्पी हिला करने के लिए नाइट्रिक एसिड सब एक ही बार में जोड़ें ।
    3. एक Schlenk लाइन के लिए कुप्पी कनेक्ट । 10 मिनट के लिए वैक्यूम चालू करें और फिर बंद वैक्यूम बंद करें । धीरे लाइन में नाइट्रोजन गैस जोड़ने और कुप्पी 2 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर आगे बढ़ने के लिए अनुमति दें Schlenk लाइन से कुप्पी निकालें और चरण 1.2.3 में वर्णित के रूप में उत्पादों धो.
    4. आईसीपी-MS के साथ संरचना की जाँच करें, जो १५.२ ± ०.३ wt होना चाहिए.% पं.
  4. ऑक्सीजन एनएन एसिड नमकीन पीटी-नी nanowires ।
    1. nanowires को व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ट्यूबलर फर्नेस में जोड़ें । ट्यूब पर वैक्यूम रात भर लागू करें ।
    2. पीठ के दबाव के ५०० Torr के साथ ट्यूब में ऑक्सीजन की एक कम प्रवाह दर फ़ीड ।
    3. 2 घंटे के लिए १७५ ° c के लिए नमूना गर्मी, एक 10 डिग्री सेल्सियस का उपयोग/
    4. स्वाभाविक रूप से कमरे के तापमान को शांत करने के लिए नमूने के लिए अनुमति दें ।

4. Electrochemically डिस्क इलेक्ट्रोड (रडे) आधा कोशिकाओं को घूर्णन में Nanowires की विशेषता8

  1. कोट कांची कार्बन काम इलेक्ट्रोड ।
    1. उत्प्रेरक जोड़ें, जिसमें पीटी के ७३ µ जी, एक 20 एमएल जुटान शीशी में पानी की ७.६ मिलीलीटर के लिए, और फिर 2-propanol के २.४ मिलीलीटर जोड़ें । शीशी सामग्री बाद में स्याही के रूप में भेजा जाता है । बर्फ 5 मिनट के लिए स्याही और फिर एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ionomer के 10 µ एल जोड़ें ।
      नोट: के लिए के रूप में-संश्लेषित और हाइड्रोजन annealed उत्प्रेरक, 1 मिलीग्राम (७.३ wt.% Pt) किया जाना चाहिए । एसिड नमकीन और ऑक्सीजन annealed उत्प्रेरक के लिए, ४८० µ जी (१५.२ wt.% Pt) का उपयोग किया जाना चाहिए ।
    2. Sonicate बर्फ में स्याही, सींग से 30 एस स्नान द्वारा 20 मिनट और सींग से 30 एस द्वारा पीछा किया । graphitized कार्बन nanofibers के ०.५ मिलीग्राम के लिए स्याही की ७.५ मिलीलीटर जोड़ें ।
    3. Sonicate बर्फ में स्याही, सींग से 30 एस स्नान द्वारा 20 मिनट और सींग से 30 एस द्वारा पीछा किया । पिपेट एक कांची कार्बन काम इलेक्ट्रोड (5 मिमी बाहरी व्यास) पर स्याही के 10 µ एल, उल्टे इलेक्ट्रोड १०० rpm पर घूर्णन के साथ । स्याही pipetting के बाद, रोटेशन ७०० rpm को बढ़ा ।
    4. Sonicate फिर से स्याही (30 एस सींग, 20 मिनट स्नान, 30 एस सींग) जबकि इलेक्ट्रोड सूख जाता है और इलेक्ट्रोड पर एक अतिरिक्त स्याही (10 µ एल) पिपेट । कोटिंग प्रक्रिया जारी रखने के लिए १.९ µ जी सेमीelec-2, ५ १० स्याही के µ एल बूंदें बढ़ाने के लिए लोड हो रहा है ।
  2. रडे परीक्षण स्टेशन को इकट्ठा ।
    1. केंद्रित सल्फर एसिड में कांच के बीच रात भर के हैं । फिर, क्रोमिक एसिड के लिए एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध विकल्प में रातोंरात कांच के बनने वाले... पानी में आठ बार उबालें । मुख्य कांच के ऊपर, काम, काउंटर, और संदर्भ इलेक्ट्रोड को जोड़ने के द्वारा प्रमुख परीक्षण सेल के लिए इकट्ठा ।
      नोट: रडे अर्ध-कक्ष तीन-इलेक्ट्रोड कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करें । काम और काउंटर इलेक्ट्रोड कांची कार्बन और पीटी मेष, क्रमशः थे । संदर्भ इलेक्ट्रोड एक प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (RHE), ०.१ एम perchloric एसिड इलेक्ट्रोलाइट के साथ एक गिलास bubbler में निहित एक पीटी तार था.
    2. ०.१ मीटर perchloric एसिड के साथ रडे हाफ सेल भरें । एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध संग्राहक गति नियंत्रक के लिए काम इलेक्ट्रोड कनेक्ट, और काम इलेक्ट्रोड टिप जलमग्न.
    3. एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध potentiostat के साथ विद्युत माप ले लो । 7 मिनट के लिए नाइट्रोजन के साथ इलेक्ट्रोलाइट पर्ज ।
  3. विद्युत सतह क्षेत्रों ले लो ।
    1. एक स्वचालित चक्रीय voltammetry potentiostat निर्माता द्वारा आपूर्ति की फाइल में इनपुट पैरामीटर । ५० के लिए चक्र संख्या सेट करें, स्कैन दर को १०० एमवी एस-1, ०.०२५ वी करने के लिए कम संभावित, और ऊपरी क्षमता १.४ v. चक्रीय voltammetry फ़ाइल चलाने के लिए और इलेक्ट्रोलाइट त्यागें । ०.१ मीटर perchloric एसिड के साथ फिर से भरना और कार्बन मोनोऑक्साइड के साथ शुद्ध करना ।
    2. एक स्वचालित क्षमता पकड़ फ़ाइल potentiostat निर्माता द्वारा आपूर्ति में इनपुट पैरामीटर । संभावित ०.१ V और 20 मिनट के लिए समय निर्धारित करें, और २,५०० rpm पर काम इलेक्ट्रोड घूर्णन शुरू करते हैं । भागो संभावित पकड़ो फ़ाइल: कार्यक्रम के पहले 10 मिनट के लिए, शुद्ध कार्बन मोनोऑक्साइड; कार्यक्रम के दूसरे 10 मिनट के लिए, नाइट्रोजन शुद्ध करना । पकड़ के पिछले 30 एस के दौरान, बंद रोटेशन बारी और कंबल के लिए bubbler सेट इलेक्ट्रोलाइट ।
    3. एक स्वचालित चक्रीय voltammetry potentiostat निर्माता द्वारा आपूर्ति की फाइल में इनपुट पैरामीटर । चक्र संख्या सेट करने के लिए 3, स्कैन दर करने के लिए 20 एमवी एस-1, प्रारंभ संभावित करने के लिए ०.१ v, कम क्षमता के लिए ०.०२५ v, और ऊपरी क्षमता १.२ v. चलाने के लिए चक्रीय voltammetry फ़ाइल.
  4. लो ऑक्सीजन कमी ध्रुवीकरण घटता है ।
    1. २,५०० rpm पर घूर्णन काम इलेक्ट्रोड के साथ कम से कम 7 मिनट के लिए ऑक्सीजन के साथ इलेक्ट्रोलाइट पर्ज ।
    2. सेट ऑक्सीजन शुद्ध कंबल इलेक्ट्रोलाइट और १,६०० rpm को काम इलेक्ट्रोड रोटेशन धीमी गति से ।
    3. इनपुट पैरामीटर एक स्वचालित रैखिक झाडू voltammetry potentiostat निर्माता द्वारा आपूर्ति की फाइल में । चक्र संख्या सेट करने के लिए 10, स्कैन दर करने के लिए 20 एमवी s-1, प्रारंभ संभावित करने के लिए-०.१ v, और अंत करने के लिए संभावित १.०५ v. रैखिक स्वीप voltammetry फ़ाइल चलाएँ । इलेक्ट्रोलाइट त्यागें ।
    4. ०.१ मीटर perchloric एसिड के साथ फिर से भरना और ऑक्सीजन के साथ शुद्ध करने के लिए ंयूनतम 7 min । फिर से चलाएं रेखीय स्वीप voltammetry फ़ाइल चरण 4.4.3 में उपयोग किया जाता है ।
  5. भागो स्थायित्व परीक्षण ।
    1. २,५०० rpm पर कार्य इलेक्ट्रोड घूर्णन करते हुए नाइट्रोजन के साथ इलेक्ट्रोलाइट पर्ज । सेट नाइट्रोजन पर्ज करने के लिए कंबल इलेक्ट्रोलाइट और काम इलेक्ट्रोड रोटेशन बंद करो ।
    2. एक स्वचालित चक्रीय voltammetry potentiostat निर्माता द्वारा आपूर्ति की फाइल में इनपुट पैरामीटर । ३०,००० के लिए चक्र संख्या सेट, ५०० एमवी एस-1के लिए स्कैन की दर, ०.६ वी करने के लिए कम संभावित, और ऊपरी क्षमता १.० v. चक्रीय voltammetry फ़ाइल चलाएँ.
    3. स्थायित्व के बाद, विद्युत सतह क्षेत्रों और ऑक्सीजन की कमी ध्रुवीकरण कदम ४.३ और ४.४ में आपूर्ति की प्रोटोकॉल का उपयोग कर curves ले लो ।

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Representative Results

सहज करनेवाली पीटी के साथ nanowires के विस्थापन, निर्दिष्ट राशि का उपयोग कर, पीटी नी nanowires कि ७.३ wt.% पीटी (चित्रा 1 और चित्रा 2ए) थे का उत्पादन किया । पीटी अग्रदूत की राशि के लिए कुछ संशोधन इष्टतम पीटी लदान तक पहुँचने के लिए आवश्यक हो सकता है । पीटी विस्थापन सतह नी ऑक्साइड परत की मोटाई के प्रति संवेदनशील है, जो टेंपलेट आयु (एयर एक्सपोजर) और नदी के ऊपर परिवर्तनशीलता22के आधार पर भिंन हो सकती है । संरचना, तथापि, उच्च गतिविधि और आईसीपी सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है-एमएस इष्टतम संरचना सुनिश्चित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । रडे परीक्षण प्रोटोकॉल शामिल किया गया है, के बाद से निम्न प्रोटोकॉल सही संश्लेषण और संसाधन पैरामीटर्स की पुष्टि करने के लिए महत्वपूर्ण हैं । इस रचना में उत्प्रेरक (७.३ wt.% Pt) पीक ऑक्सीजन कमी जन गतिविधि7का उत्पादन किया । पीटी जमाव की उच्च मात्रा कम विद्युत सतह क्षेत्रों में हुई, कम पीटी उपयोग और मोटा पीटी परतों के गठन के लिए जिंमेदार ठहराया (चित्रा 2बी) । पीटी की कम मात्रा में कम विशिष्ट गतिविधि के परिणामस्वरूप, संभावित एक कण आकार प्रभाव के कारण, हालांकि गतिविधि ड्रॉप पीटी nanoparticle निष्कर्षों की तुलना में मामूली था2.

हाइड्रोजन एनीलिंग पीटी और एनआई क्षेत्रों को एकीकृत और पीटी जाली8सेक करने के लिए आवश्यक था. जाली संपीड़न में सुधार ऑक्सीजन कमी गतिविधि और एनीलिंग करने के लिए २५० ° c इष्टतम जन गतिविधि का उत्पादन (चित्र 3) । हालांकि विशिष्ट गतिविधि के लिए उच्च एनीलिंग तापमान में वृद्धि जारी रखा, विद्युत सतह क्षेत्र की सतह पर पीटी प्रतिक्रमण के कारण संभावित कमी हुई ।

हालांकि हाइड्रोजन एनीलिंग उच्च ऑक्सीजन कमी गतिविधि का उत्पादन किया, स्थायित्व परीक्षण बड़े प्रदर्शन घाटा और नी विघटन की उच्च मात्रा में हुई । एसिड नमकीन पानी को तरजीही नी हटाने के लिए इस्तेमाल किया गया था, और ऑक्सीजन एनीलिंग स्थायित्व में सुधार करने और एनआई विघटन8,22को कम करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । १५.२ wt के लिए एसिड नमकीन पानी.% पीटी और १७५ डिग्री सेल्सियस के लिए ऑक्सीजन एनीलिंग इष्टतम गतिविधि और स्थायित्व का उत्पादन किया (तालिका 1) । यदि एनआई हटाने की अधिक से अधिक मात्रा एसिड नमकीन पानी कदम में हुई, उच्च स्थायित्व हासिल किया गया था, लेकिन प्रारंभिक प्रदर्शन की कीमत पर. उच्च पीटी संरचना कम विशिष्ट गतिविधि (विमिश्रक प्रभाव) के साथ nanowires का उत्पादन किया और सामग्री कम ब्याज electrocatalytically के थे । अगर नी हटाने की कम मात्रा एसिड नमकीन पानी कदम में हुई, नी की बड़ी मात्रा अभी भी सतह पर बने रहे । ऑक्सीजन एनीलिंग nanowire सतह के पास एनआई की स्थिरता में सुधार, विद्युत कंडीशनिंग के दौरान पीटी साइटों के लिए उपयोग को रोकने. १७५ ° c के ऑक्सीजन एनीलिंग तापमान स्थायित्व परीक्षण के लिए उपसतह नी स्थिर करने की आवश्यकता के बीच एक संतुलन प्रदान की है, जबकि अभी भी कंडीशनिंग के दौरान पीटी उपयोग के लिए अनुमति दी । nanowires के लिए जो १५.२ wt.% पॉइंट, उच्च ऑक्सीजन एनीलिंग तापमान कम प्रारंभिक गतिविधि का उत्पादन किया गया; इसके विपरीत, कम ऑक्सीजन एनीलिंग तापमान उच्च स्थायित्व घाटा और एनआई विघटन के उच्च डिग्री के परिणामस्वरूप ।

Figure 1
चित्र 1 . सहज करनेवाली विस्थापन प्रक्रिया की योजनाबद्ध. सहज करनेवाली विस्थापन प्रक्रिया की योजनाबद्ध, एक nobler धातु कटियन (लाल) एक धातु (नीला)6को बदलने के साथ । एस. एम. Alia, वाई. एस. यान और बी. एस. Pivovar, Catalysis साइंस एंड टेक्नोलॉजी, 4, ३५८९ (२०१४) से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) । कॉपीराइट २०१४ रॉयल सोसायटी ऑफ केमिस्ट्री. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2 . संश्लेषित पीटी-नी nanowires: उनकी संरचना और सतह क्षेत्र । (क) पीटी-एनआई nanowire रचना की राशि के एक समारोह के रूप में पीटी प्रणेता (पोटेशियम tetrachloroplatinate) करनेवाली विस्थापन के दौरान एनआई nanowires के ४० मिलीग्राम के लिए जोड़ा गया. (ख) विद्युत की सतह क्षेत्रों के रूप में संश्लेषित पीटी-एनआई nanowires pt विस्थापन7के स्तर के एक समारोह के रूप में । डेटा बिंदुओं को औसत मान निरूपित करते हैं, जबकि त्रुटि पट्टियां माप के मानक विचलन को निरूपित करते हैं । पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) एस से अनुमति के साथ । M. Alia, b. a. लार्सन, एस. Pylypenko, डी. ए. Cullen, डी. आर. Diercks, के. सी. Neyerlin, एस. एस. कोचा और बी. एस. Pivovar, ACS Catalysis, 4, १११४ (२०१४). कॉपीराइट २०१४ अमेरिकन केमिकल सोसायटी । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3 . ऑक्सीजन कमी जन गतिविधि हाइड्रोजन annealed Pt-Ni nanowires एनीलिंग तापमान8के एक समारोह के रूप में। डेटा बिंदुओं को औसत मान निरूपित करते हैं, जबकि त्रुटि पट्टियां माप के मानक विचलन को निरूपित करते हैं । रिप्रिंट्ड (अनुकूलित) एस. एम. Alia से अनुमति के साथ, C. Ngo, s. तुम्हीं चाहिए, एम.-ए. Ha, a. a. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, s. s. कोचा, s. Pylypenko और B. s. Pivovar, ACS ओमेगा, 2, १४०८ (२०१७). कॉपीराइट २०१७ अमेरिकन केमिकल सोसायटी । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

उत्प्रेरक मैंएम, मैं0.9 वी
[एमए एमजीपीटी\u20121]		 आइएम, एफ0.9 वी
[एमए एमजीपीटी\u20121]
Pt-Ni १६५३ १३३९
एच2 ५२१३ ३९६२
एसिड ३५८३ ३१५३
हे२ ५४१४ ५३०५
पीटी HSC/ ५०० ३७५

तालिका 1. ऑक्सीजन कमी जन गतिविधियों से पहले (मैंएम, मैं) और निंनलिखित (मैंएम, एफ) आधा सेल स्थायित्व परीक्षण । मूल्यांकन उत्प्रेरक के रूप में शामिल-संश्लेषित (Pt-ni), हाइड्रोजन annealed (एच2), एसिड नमकीन पानी (एसिड), और ऑक्सीजन annealed (ओ2) Pt-ni nanowires । कार्बन-समर्थित पॉइंट नैनोकणों (pt/HSC) का हाफ-सेल प्रदर्शन भी एक संदर्भ8के रूप में प्रदान किया गया था । रिप्रिंट्ड (अनुकूलित) एस. एम. Alia से अनुमति के साथ, C. Ngo, s. तुम्हीं चाहिए, एम.-ए. Ha, a. a. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, s. s. कोचा, s. Pylypenko और B. s. Pivovar, ACS ओमेगा, 2, १४०८ (२०१७). कॉपीराइट २०१७ अमेरिकन केमिकल सोसायटी ।

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Discussion

इन प्रोटोकॉल दोनों उच्च सतह क्षेत्रों और ऑक्सीजन में कमी प्रतिक्रिया8में विशिष्ट गतिविधियों के साथ विस्तारित सतह electrocatalysts का उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया गया है । नैनोसंरचित पर पीटी जमा द्वारा टेंपलेट्स, nanowires कम समंवित साइटों से परहेज और कण आकार प्रभाव को कम करने, विशिष्ट गतिविधियों से अधिक 12 बार कार्बन समर्थित पीटी नैनोकणों से अधिक उत्पादन । संश्लेषण दृष्टिकोण के रूप में करनेवाली विस्थापन का उपयोग भी एनआई टेम्पलेट7पर एक अनुमानित कोटिंग का उत्पादन किया. पीटी विस्थापन के निंन स्तर पर, इस प्रक्रिया ९० एम2 जीपीटी-1, विस्तारित सतह उत्प्रेरक में एक महत्वपूर्ण सफलता से अधिक में विद्युत सतह क्षेत्रों का उत्पादन किया ।

प्रदर्शन8में सुधार करने के लिए हाइड्रोजन एनीलिंग की जरूरत थी । ऊंचा तापमान करने के लिए एनीलिंग ऑक्सीजन कमी विशिष्ट गतिविधि है, जो पीटी जाली संपीड़न पीटी-O chemisorption9,10कमजोर की वजह से एक मिश्र धातु प्रभाव के रूप में तर्कसंगत था सुधार । हालांकि हाइड्रोजन एनीलिंग कदम प्रारंभिक गतिविधि में सुधार, उच्च स्थायित्व और नी विघटन नुकसान एक चिंता का विषय थे । एसिड नमकीन पानी और ऑक्सीजन एनीलिंग इन घाटे को कम करने के लिए इस्तेमाल किया गया । अनुकूलित पीटी नी nanowires ग्यारह बार कार्बन से अधिक की ऑक्सीजन कमी जन गतिविधियों का उत्पादन किया पीटी नैनोकणों और तीन बार के रूप में संश्लेषित तारों से अधिक से अधिक समर्थित । महत्वपूर्ण सुधार भी nanowire स्थायित्व है, जो 3% जन गतिविधि खो दिया गया (के रूप में-संश्लेषित 21%) और ०.३% उत्प्रेरक जन के विघटन के लिए (के रूप में-संश्लेषित खो 7%) ।

पीटी नी nanowires विकसित किया गया है और रडे छमाही में उनके प्रदर्शन के लिए अनुकूलित-कोशिकाओं । रडे परीक्षण अक्सर उत्प्रेरक स्क्रीनिंग में प्रयोग किया जाता है, मौलिक गुण और एक उत्प्रेरक की विद्युत क्षमताओं का मूल्यांकन करने के लिए । रडे गतिविधि, तथापि, समान ईंधन सेल के प्रदर्शन की गारंटी नहीं है, और झिल्ली इलेक्ट्रोड विधानसभाओं गतिविधि नुकसान बड़े पैमाने पर परिवहन, और इलेक्ट्रॉनिक और ईओण प्रतिरोध के कारण शामिल हैं । pt-Ni इन प्रोटोकॉल में विकसित nanowires पीटी नैनोकणों के लिए परिमाण उच्च गतिविधि के एक आदेश से अधिक प्रदर्शन, के रूप में अच्छी तरह के रूप में सुधार स्थायित्व । जबकि इन परिणामों का सुझाव है कि Pt-Ni nanowires ईंधन सेल इलेक्ट्रोड लोडर को कम करने के लिए लागत प्रदर्शन मैट्रिक्स को पूरा कर सकता है, प्रभावी रूप से झिल्ली इलेक्ट्रोड सभाओं में इन सामग्रियों को शामिल एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है.

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

वित्तीय सहायता अमेरिका के ऊर्जा विभाग, ऊर्जा दक्षता और नवीकरणीय ऊर्जा के कार्यालय के तहत अनुबंध संख्या DE-AC36-08GO28308 NREL को प्रदान की गई थी ।

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

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References

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रसायन विज्ञान अंक १३४ प्लेटिनम विस्तारित सतहों ऑक्सीजन की कमी ईंधन कोशिकाओं Electrocatalysts मैटीरियल्स
ऑक्सीजन की कमी के प्रदर्शन के लिए प्लेटिनम निकल Nanowires और अनुकूलन का संश्लेषण
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Alia, S. M., Pivovar, B. S.… More

Alia, S. M., Pivovar, B. S. Synthesis of Platinum-nickel Nanowires and Optimization for Oxygen Reduction Performance. J. Vis. Exp. (134), e56667, doi:10.3791/56667 (2018).

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