Synthèse de nanofils Platinum-nickel et optimisation des performances de réduction de l’oxygène
Summary
Le protocole décrit la synthèse et l’analyse électrochimique de nanofils de platine-nickel. Nanofils ont été synthétisés par le déplacement galvanique d’un modèle de nanofils de nickel. Post-synthèse traitement, y compris l’hydrogène recuit, lixiviation acide et recuit d’oxygène ont été utilisés pour optimiser les performances de nanofils et durabilité dans la réaction de réduction de l’oxygène.
Abstract
Nanofils platine-nickel (Ni-Pt) ont été élaborés comme la pile à combustible ELECTROCATALYSEURS et ont été optimisés pour la performance et la durabilité dans la réaction de réduction de l’oxygène. Déplacement galvanique spontanée a été utilisé pour déposer des couches Pt sur des substrats de nanofils Ni. L’approche de synthèse produit catalyseurs avec une activité spécifique élevée et grande surfaces de Pt. Recuit d’hydrogène amélioré Pt et Ni l’activité spécifique et mélange. Lixiviation acide utilisée pour supprimer préférentiellement Ni près de la surface de nanofils et recuit d’oxygène a été utilisé pour stabiliser Ni près de la surface, amélioration de la durabilité et en minimisant la dissolution Ni. Ces protocoles en détail l’optimisation de chaque étape de la synthèse après traitement, y compris l’hydrogène recuit à 250 ° C, exposition à 0,1 M d’acide nitrique et oxygène recuit à 175 ° C. À travers ces étapes, Pt-Ni nanofils produit augmentation des activités plus qu’un ordre de grandeur que les nanoparticules de Pt, tout en offrant des améliorations significatives de durabilité. Les protocoles présentés sont basés sur les systèmes de Pt-Ni dans le développement de catalyseurs de la pile à combustible. Ces techniques ont également été utilisés pour une variété de combinaisons métalliques et peuvent être appliquées pour développer les catalyseurs pour un certain nombre de procédés électrochimiques.
Introduction
Piles à combustible proton exchange membrane sont partiellement limités par la quantité et le coût du platine requis dans la couche de catalyseur, qui tiennent compte de la moitié des piles à combustible frais1. Piles à combustible, les nanomatériaux est généralement établis comme catalyseurs de la réduction de l’oxygène, puisque la réaction est cinétiquement plus lente que l’oxydation de l’hydrogène. Carbone-prise en charge des nanoparticules de Pt sont souvent utilisés comme ELECTROCATALYSEURS de réduction de l’oxygène en raison de leur grande surface ; Cependant, ils ont une activité sélective spécifique et sont sujettes à des pertes de durabilité.
Étendu de films minces offrent des avantages potentiels pour les nanoparticules en s’attaquant à ces limitations. Surfaces étendues de Pt généralement produisent des activités spécifiques à un ordre de grandeur supérieur à nanoparticules, en limitant les facettes moins actifs et effets de taille de particules et auraient dû être divulgués pour être durable sous potentiel vélo2,3 , 4. alors que l’activité élevée de la masse ont été atteints en ELECTROCATALYSEURS surface étendue, améliorations ont été apportées, principalement au moyen de majorations, activité spécifique, et le type de catalyseur a été limité à Pt avec une faible superficie (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Déplacement galvanique spontanée combine les aspects de la corrosion et l’électrodéposition de6. Le processus est généralement régi par les potentiels rédox standard des deux métaux, et les dépôts se produisent généralement lorsque la cation métallique est plus réactive que le modèle. Le déplacement a tendance à produire des nanostructures qui correspondent à la morphologie du modèle. En appliquant cette technique aux nanostructures étendu, catalyseurs à base de Pt peuvent se former qui tirent profit de l’activité de réduction spécifique élevée de l’oxygène des couches minces étendues. Par le biais des déplacements partiels, de petites quantités de Pt ont été déposées et ont produit des matériaux avec des surfaces élevées (> 90 m2 gPt-1),7,8.
Ces protocoles concernent l’hydrogène recuit pour mélanger Pt et Ni de zones et d’améliorer l’activité de réduction de l’oxygène. Un certain nombre d’études ont établi théoriquement le mécanisme et confirmé expérimentalement un effet alliage dans la réduction de l’oxygène Pt. Modélisation et corrélant la liaison OH-Pt et Pt-O pour l’activité de réduction d’oxygène suggèrent que Pt peuvent être améliorés par le biais de treillis compression9,10. Alliage Pt avec petits métaux de transition a confirmé cet avantage, et Pt-Ni a été étudiée dans un certain nombre de formes, y compris les polycristallins, électrodes de facettes, nanoparticules et nanostructures11,12, 13,,14.
Galvanique déplacement a été utilisée dans Pt-oxygène réduction catalyseur développement avec une variété d’autres modèles, y compris l’argent, de cuivre et cobalt nanostructures15,16,17. La technique de synthèse a également été utilisée dans la déposition des autres métaux et a produit ELECTROCATALYSEURS pour piles à combustible, électrolyseurs et l’oxydation électrochimique des alcools18,19,20, 21. Protocoles similaires peuvent également être adaptés pour la synthèse de nanomatériaux avec un large éventail d’applications électrochimiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ces protocoles ont été utilisées pour produire l’étendue ELECTROCATALYSEURS de surface avec les surfaces élevées et des activités spécifiques à l’oxygène réduction réaction8. En déposant Pt sur modèles nanostructurés, les nanofils basses coordonnées sites à éviter et réduire au minimum les effets de taille de particules, produisant plus de 12 fois supérieur à nanoparticules de Pt carbone-prise en charge des activités spécifiques. À l’aide de déplacement galvanique co…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Soutien financier a versé par le U.S. Department of Energy, Office de l’efficacité énergétique et énergies renouvelables au numéro de contrat est DE-AC36-08GO28308 NREL.
Materials
| 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
- 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. 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).
- 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).
