Summary
Il protocollo descrive la sintesi e test elettrochimico di nanofili di platino-nichel. Nanofili sono stati sintetizzati dallo spostamento di un modello di nanowire nichel galvanico. Post-sintesi elaborazione, compresa la ricottura di idrogeno, acido lisciviazione e ricottura di ossigeno sono stati utilizzati per ottimizzare nanowire prestazioni e durata nella reazione di riduzione di ossigeno.
Abstract
Nanofili di platino-nichel (Pt-Ni) sono stati sviluppati come elettrocatalizzatori per celle a combustibile e sono stati ottimizzati per le prestazioni e la durata nella reazione di riduzione di ossigeno. Spontaneo spostamento galvanico è stato usato per depositare strati Pt su substrati di nanowire Ni. L'approccio di sintesi prodotte catalizzatori con alta attività specifiche e alte superfici di Pt. Ricottura di idrogeno, ha migliorato il Pt e Ni miscelazione e specifiche attività. Lisciviazione acida è stato utilizzato preferenzialmente rimuovere Ni vicino alla superficie di nanowire e ricottura di ossigeno è stato usato per stabilizzare Ni vicino alla superficie, migliorando la durata e minimizzando la dissoluzione di Ni. Questi protocolli dettaglio l'ottimizzazione di ogni fase di lavorazione post-sintesi, tra cui idrogeno ricottura a 250 ° C, esposizione ad acido nitrico 0.1 M e ossigeno ricottura a 175 ° C. Attraverso questi passaggi, Pt-Ni nanofili prodotta attività aumentate più di un ordine di grandezza di nanoparticelle di Pt, offrendo miglioramenti di durata significativa. I protocolli presentati sono basati su sistemi di Pt-Ni nello sviluppo di catalizzatori per celle a combustibile. Queste tecniche sono state utilizzate anche per una varietà di combinazioni di metallo e possono essere applicate per sviluppo di catalizzatori per un certo numero di processi elettrochimici.
Introduction
Protone cambio membrana celle a combustibile sono parzialmente limitate dalla quantità e dal costo del platino richiesto nello strato catalizzatore, che possa rappresentare per mezzo di celle a combustibile costi1. Nelle celle a combustibile, nanomateriali vengono in genere sviluppati come catalizzatori di riduzione di ossigeno, poiché la reazione è cineticamente più lenta di ossidazione dell'idrogeno. Carbonio-supportato Pt nanoparticelle sono spesso utilizzate come elettrocatalizzatori di riduzione di ossigeno a causa della loro elevata area superficiale; Tuttavia, essi hanno specifiche attività selettiva e sono soggette a perdite di durevolezza.
Film sottili estesa offrire potenziali benefici alle nanoparticelle di indirizzamento di queste limitazioni. Estese superfici di Pt in genere producono attività specifiche di un ordine di grandezza maggiore di nanoparticelle, limitando sfaccettature meno attive e gli effetti di dimensione delle particelle e hanno dimostrate di essere durevole sotto potenziale ciclismo2,3 , 4. mentre alta attività di massa sono stati raggiunti in elettrocatalizzatori superficie estesa, sono stati apportati miglioramenti soprattutto attraverso aumenti nell'attività specifica e il tipo di catalizzatore è stato limitato a Pt con una bassa superficie (10m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.
Spontaneo spostamento galvanico combina gli aspetti di corrosione ed elettrodeposizione6. Il processo è generalmente disciplinato i potenziali ossidoriduttivi standard dei due metalli e la deposizione si verifica in genere quando il catione del metallo è più reattivo il modello. Lo spostamento tende a produrre nanostrutture che corrispondono la morfologia di modello. Applicando questa tecnica estesa nanostrutture, i catalizzatori a base di Pt possono essere formati che sfruttano l'attività di riduzione di ossigeno specifico elevato di film sottili estesa. Attraverso lo spostamento parziale, piccole quantità di Pt sono stati depositati e hanno prodotto materiali con superfici ad alta (> 90 m2 gPt-1)7,8.
Questi protocolli coinvolgono idrogeno ricottura per mescolare zone Pt e Ni e migliorare le attività di riduzione dell'ossigeno. Una serie di studi hanno stabilito teoricamente il meccanismo e confermato sperimentalmente un effetto lega nella riduzione dell'ossigeno Pt. Modellazione e correlando associazione Pt-OH e Pt-O per attività di riduzione dell'ossigeno suggeriscono che miglioramenti Pt possono essere fatta attraverso la grata compressione9,10. Pt di lega con metalli di transizione più piccoli ha confermato questo beneficio, e Pt-Ni è stato studiato in un certo numero di forme, tra cui policristallino, elettrodi sfaccettati, nanoparticelle e nanostrutture11,12, 13,14.
Spostamento galvanico è stato utilizzato nello sviluppo di catalizzatore di riduzione Pt-ossigeno con una varietà di altri modelli, tra cui argento, rame e cobalto nanostrutture15,16,17. La tecnica di sintesi è stata utilizzata anche nella deposizione di altri metalli e ha prodotto elettrocatalizzatori per celle a combustibile, elettrolizzatore e l'ossidazione elettrochimica di alcoli18,19,20, 21. Protocolli simili possono anche essere adattati per la sintesi dei nanomateriali con una gamma più ampia di applicazioni elettrochimiche.
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Protocol
1. sintesi di nanofili di Pt-Ni
- Per iniziare il processo di spostamento, sospendere il modello del nanofilo di nichel nell'acqua e riscaldare fino a 90 ° C.
- Aggiungere 40 mg di commercialmente disponibile, nichel nanofili a 20 mL di acqua deionizzata in un tubo di centrifuga da 50 mL. Esso Sonicare per 5 min.
Nota: I nanofili sono circa 150-250 nm di diametro e 100-200 µm in lunghezza. - Trasferire i nanofili sospesi a un vetro 250 mL pallone da e aggiungere 60 mL di acqua deionizzata. Riscaldare il pallone a 90 ° C in un bagno di olio minerale. Mescolare la miscela di reazione a 500 giri/min con una pagaia di politetrafluoroetilene collegata ad un corpo in vetro e agitatore elettrico.
- Aggiungere 40 mg di commercialmente disponibile, nichel nanofili a 20 mL di acqua deionizzata in un tubo di centrifuga da 50 mL. Esso Sonicare per 5 min.
- Formare i nanofili di Pt-Ni da spontaneo spostamento galvanico.
- Aggiungere 15 mL di acqua deionizzata 8,1 mg di potassio tetrachloroplatinate. Aggiungere la soluzione in una siringa da 20 mL con circa 8 cm di tubo di base poliuretanica di 0,318 cm attaccato alla punta. Posizionare la siringa in una pompa a siringa automatica e impostare la velocità a 1 mL/min.
- Avviare la pompa a siringa e permettere che la pompa aggiungere la soluzione al pallone a fondo tondo oltre 15 min calore il matraccio a 90 ° C per 2 h.
- Centrifugare la soluzione a 2.500 x g per 15 min e versare il surnatante in un flusso di rifiuti. Risospendere la sonicazione di bagno solidswith (circa 10 s) utilizzando la soluzione fresca (acqua o 2-propanolo, come specificato). Centrifugare la soluzione nuovamente e rimuovere il surnatante. Ripetere il processo di lavaggio tre volte con acqua deionizzata e poi una volta con 2-propanolo.
- Asciugare i nanofili di Pt-Ni a 40 ° C in un forno sottovuoto durante la notte (circa 16 h).
2. controllare la composizione con Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry (ICP-MS).
Nota: Composizione del catalizzatore dovrebbe essere 7,3 ± 0.3% in peso Pt.
- Digest 1 mg del campione in 10 mL di aqua regia a temperatura ambiente durante la notte.
- Diluire a concentrazioni di 200, 20 e 2 ppb, con una matrice di corrispondenza delle diluizioni all'1,5% di acido cloridrico e 0,5% di acido nitrico.
- Aggiungere 20 µ l del digestato in 9,98 mL della soluzione madre (1,5% acido cloridrico e 0,5% acido nitrico) per 200 ppb; 2 µ l di digestato in 10,00 mL della soluzione madre (1,5% acido cloridrico e 0,5% acido nitrico) per 20 ppb; e 0,2 µ l del digestato in 10,00 mL della soluzione madre (1,5% acido cloridrico e 0,5% acido nitrico) per 2 ppb. Filtrare le diluizioni utilizzando un filtro basato su politetrafluoroetilene di 0,4 µm.
3. post-sintesi processo dei nanofili di Pt-Ni di ricottura e lisciviazione acida.
- Idrogeno temprare i nanofili di Pt-Ni sintetizzati.
- Aggiungere il campione di nanowire intera ad una fornace tubolare. Applicare il vuoto al tubo durante la notte.
Nota: a partire da gas flusso (idrogeno, ossigeno) è stato usato a temperatura elevata nella fornace tubolare, considerazioni di sicurezza sono stati richiesti. I collegamenti di tubo-gas sono stati costruiti per essere sicuri che l'apparecchio potrebbe gestire vuoto e 500 Torr di pressione durante il funzionamento. La presa del tubo è stata ventilata per scarico, e il forno intero è stato disposto in un involucro ventilato ad una linea di scarico.- Nutrire un tasso di flusso debole di idrogeno nel tubo con 500 Torr di contropressione.
- Riscaldare il campione a 250 ° C per 2 h, utilizzando un tasso di rampa di 10 ° C/min.
- Consentire per il campione raffreddare a temperatura ambiente, naturalmente.
- Acido leach l'idrogeno ricotto Pt-Ni nanofili.
- Aggiungere 25 mg dei nanofili a 20 mL di acqua deionizzata e vasca Sonicare esso. Trasferire i nanofili sospesi a un pallone da 100 mL.
- Aggiungere temperatura diluito acido nitrico al pallone (25 mL di acido nitrico 0,2 M a 25 mL di acqua/nanowire sospensione), per portare il contenuto del matraccio a 50 mL di acido nitrico 0.1 M e agitare il matraccio per assicurare una concentrazione uniforme. Aggiungere l'acido nitrico tutti in una volta.
- Collegare il pallone per una linea di Schlenk. Applicare il vuoto per 10 min e poi chiudere il vuoto. Lentamente aggiungere azoto gassoso nella linea e lasciare il pallone procedere a temperatura ambiente per 2 h. Togliere il matraccio dalla linea di Schlenk e lavare i prodotti come descritto al punto 1.2.3.
- Verificare la composizione con ICP-MS, che dovrebbe essere 15,2 ± 0.3% in peso Pt.
- Ossigeno temprare i nanofili di Pt-Ni lisciviati acidi.
- Aggiungere i nanofili a un forno tubolare disponibile in commercio. Applicare il vuoto al tubo durante la notte.
- Nutrire un tasso di flusso debole di ossigeno nella provetta con 500 Torr di contropressione.
- Riscaldare il campione a 175 ° C per 2 h, utilizzando un tasso di rampa di 10 ° C/min.
- Consentire per il campione raffreddare a temperatura ambiente, naturalmente.
4. elettrochimicamente caratterizzano i nanofili in (RDE) elettrodo a disco rotante semicelle8
- Rivestire gli elettrodi di lavoro carbonio vetroso.
- Aggiungere il catalizzatore, che contiene 73 µ g di Pt, a 7,6 mL di acqua deionizzata in un flaconcino di scintillazione 20ml e quindi aggiungere 2,4 mL di 2-propanolo. Contenuto del flaconcino è in seguito denominato l'inchiostro. L'inchiostro per 5 min di ghiaccio e quindi aggiungere 10 µ l di un vetroionomero commercialmente disponibile.
Nota: per il come-sintetizzato e idrogeno temprato catalizzatore, 1 mg (7,3 WT % Pt) dovrebbe essere usato. Per l'acido lisciviato e ossigeno ricotto catalizzatore, 480 µ g (15,2 WT % Pt) deve essere utilizzato. - Sottoporre ad ultrasuoni l'inchiostro nel ghiaccio, 30 s di corno seguito da 20 min da vasca e 30 s di corno. Aggiungere 7,5 mL di inchiostro a 0,5 mg di nanofibre di carbonio grafitato.
- Sottoporre ad ultrasuoni l'inchiostro nel ghiaccio, 30 s di corno seguito da 20 min da vasca e 30 s di corno. Pipettare 10 µ l di inchiostro su un elettrodo a carbone vetroso lavoro (diametro esterno di 5 mm), con l'elettrodo invertito rotante a 100 rpm. Dopo l'inchiostro il pipettaggio, aumentare la rotazione a 700 giri/min.
- Sottoporre ad ultrasuoni l'inchiostro nuovo (30 corno s, vasca di 20 min, 30 corno s) mentre l'elettrodo si asciuga e Pipettare un inchiostro aggiuntivo (10 µ l) sull'elettrodo. Continuare il processo di rivestimento per aumentare il carico dielec1,9 cm µ g-2, gocce di cinque 10 µ l di inchiostro.
- Aggiungere il catalizzatore, che contiene 73 µ g di Pt, a 7,6 mL di acqua deionizzata in un flaconcino di scintillazione 20ml e quindi aggiungere 2,4 mL di 2-propanolo. Contenuto del flaconcino è in seguito denominato l'inchiostro. L'inchiostro per 5 min di ghiaccio e quindi aggiungere 10 µ l di un vetroionomero commercialmente disponibile.
- Montare la stazione di prova RDE.
- Mettere a bagno la vetreria pernottamento in acido solforico concentrato. Quindi, immergere la vetreria pernottamento in un sostituto disponibile in commercio per acido cromico. Bollire otto volte in acqua deionizzata. Assemblare la vetreria, collegando il lavoro, il contatore e gli elettrodi di riferimento per la cella di test principale.
Nota: Le semicelle RDE utilizzano una configurazione a tre elettrodi. Gli elettrodi di lavoro e contatore erano carbonio vetroso e maglia Pt, rispettivamente. L'elettrodo di riferimento era un elettrodo a idrogeno reversibile (RHE), un Pt filo contenuta in una vasca di gorgogliamento di vetro con elettrolita acido perclorico 0.1 M. - Riempire la cella RDE con acido perclorico 0.1 M. Collegare l'elettrodo di lavoro un regolatore di velocità modulata commercialmente disponibili e immergere la punta dell'elettrodo di lavoro.
- Prendere misure elettrochimiche, con un potenziostato commercialmente disponibile. Eliminazione dei fogli inceppati dell'elettrolito con azoto per 7 min.
- Mettere a bagno la vetreria pernottamento in acido solforico concentrato. Quindi, immergere la vetreria pernottamento in un sostituto disponibile in commercio per acido cromico. Bollire otto volte in acqua deionizzata. Assemblare la vetreria, collegando il lavoro, il contatore e gli elettrodi di riferimento per la cella di test principale.
- Prendere superfici elettrochimiche.
- Parametri di input in un file automatizzato voltammetria ciclica forniti dal produttore potenziostato. Impostare il numero di cicli a 50, la frequenza di scansione a 100 mV s-1, il potenziale inferiore a 0,025 V e il potenziale superiore a 1,4 V. Esegui il file di voltammetria ciclica e scartare l'elettrolita. Riempire con acido perclorico 0.1 M e spurgo con monossido di carbonio.
- Parametri di input in un potenziale automatizzato tenere file fornito dal produttore del potenziostato. Impostare i potenziali 0,1 V e l'ora a 20 min e comincia a ruotare l'elettrodo di lavoro a 2.500 giri/min. Eseguire il file di attesa potenziale: per i primi 10 min del programma, eliminazione dei fogli inceppati monossido di carbonio; per il secondo 10 min del programma, eliminazione dei fogli inceppati dell'azoto. Durante gli ultimi 30 s della stiva, disattivare la rotazione e impostare la vasca di gorgogliamento di coperta l'elettrolita.
- Parametri di input in un file automatizzato voltammetria ciclica forniti dal produttore potenziostato. Impostare il numero di cicli a 3, la velocità di scansione a 20 mV s-1, il potenziale di inizio a 0.1 V, il potenziale inferiore a 0,025 V e il potenziale superiore a 1.2 V. Esegui il file di voltammetria ciclica.
- Prendere ossigeno curve di polarizzazione di riduzione.
- Eliminazione dei fogli inceppati di elettrolito con ossigeno per almeno 7 minuti con l'elettrodo di lavoro rotante a 2.500 giri/min.
- Impostare la purga di ossigeno alla coperta l'elettrolita e rallentare la rotazione dell'elettrodo di lavoro a 1.600 giri/min.
- Parametri di input in un file di voltammetria sweep lineare automatico fornito dal produttore potenziostato. Impostare il numero di cicli a 10, la velocità di scansione a 20 mV s-1, il potenziale di inizio di -0,1 V e il potenziale di fine alla 1.05 V. Esegui il file di voltammetria sweep lineare. Scartare l'elettrolita.
- Riempire con acido perclorico 0.1 M e spurgo con ossigeno per almeno 7 minuti eseguire nuovamente il file di voltammetria sweep lineare utilizzato al punto 4.4.3.
- Eseguire prove di durata.
- Eliminazione dei fogli inceppati di elettrolito con azoto durante la rotazione l'elettrodo di lavoro a 2.500 giri/min. Impostare l'eliminazione di azoto alla coperta l'elettrolita e fermare la rotazione dell'elettrodo di lavoro.
- Parametri di input in un file automatizzato voltammetria ciclica forniti dal produttore potenziostato. Impostare il numero di cicli a 30.000, la frequenza di scansione a 500 mV s-1, il potenziale inferiore a 0,6 V e il potenziale superiore a 1,0 V. Esegui il file di voltammetria ciclica.
- Dopo durevolezza, prendere elettrochimici superfici e curve di polarizzazione di riduzione di ossigeno utilizzando i protocolli forniti ai punti 4.3 e 4.4.
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Representative Results
Spostamento spontaneo galvanico di nanofili di Ni con Pt, utilizzando la quantità specificata, prodotto nanofili di Pt-Ni che erano 7,3 WT % Pt (Figura 1 e Figura 2A). Apportato alcune modifiche alla quantità di Pt precursore potrebbe essere necessario raggiungere il Pt ottima di caricamento. Spostamento di PT è sensibile allo spessore del Ni ossido strato superficiale, che può variare basato su template età (l'esposizione all'aria) e variabilità a Monte22. La composizione, tuttavia, è fondamentale per garantire un'elevata attività e ICP-MS è stato utilizzato per garantire la composizione ottimale. Protocolli di prova RDE sono stati inclusi, in quanto segue questi protocolli sono critici che conferma la corretta sintesi e parametri di lavorazione. Catalizzatori a questa composizione (7,3 WT % Pt) prodotto picco ossigeno riduzione massa attività7. Una maggiore quantità di Pt deposizione ha provocato inferiore superfici elettrochimiche, attribuita al minore utilizzo di Pt e la formazione di strati più spessi di Pt (Figura 2b). Gli importi più bassi di Pt ha provocato inferiore specifica attività, potenzialmente a causa di un effetto di dimensione delle particelle, anche se il calo di attività era più mite di Pt nanoparticella risultati2.
Ricottura di idrogeno era necessaria per integrare le zone Pt e Ni e comprimere il reticolo di Pt8. Compressione della grata migliorata attività di riduzione dell'ossigeno e ricottura a 250 ° C prodotto ottimale attività di massa (Figura 3). Anche se l'attività specifica ha continuato ad aumentare alle più alte temperature di ricottura, la superficie di elettrochimica diminuito potenzialmente causa Pt riordino in superficie.
Anche se ricottura di idrogeno prodotto attività di riduzione dell'ossigeno ad alta, prove di durata ha provocato perdite di grandi prestazioni e di elevate quantità di dissoluzione di Ni. Lisciviazione acida è stato utilizzato preferenzialmente rimuovere Ni e ricottura di ossigeno è stato usato per migliorare la durabilità e minimizzare Ni dissoluzione8,22. Lisciviazione acida a 15,2% in peso Pt e ossigeno ricottura a 175 ° C prodotto attività ottimale e durata (tabella 1). Se è stata raggiunta una maggiore quantità di Ni rimozione si è verificato nel passaggio alla lisciviazione acido, alta durevolezza, ma a scapito delle prestazioni iniziali. Alta Pt composizione prodotto nanofili con bassa attività specifica (dealloying effetto) e i materiali erano di meno electrocatalytically di interesse. Se gli importi più bassi di rimozione Ni si è verificato nel passaggio alla lisciviazione acido, grandi quantità di Ni ancora è rimasto sulla superficie. Ricottura di ossigeno migliorato la stabilità di Ni vicino alla superficie del nanofilo, impedendo l'accesso ai siti di Pt durante condizionata elettrochimica. L'ossigeno ricottura temperatura di 175 ° C fornito un equilibrio tra la necessità di stabilizzare il sottosuolo Ni per la durata di prova, pur consentendo l'accesso Pt durante condizionata. Per i nanofili che erano 15,2 WT % Pt, maggiore ossigeno temperature di ricottura prodotto attività iniziale più bassa; al contrario, ossigeno bassa temperature di ricottura ha provocato perdite di resistenza più elevate e più alti gradi di dissoluzione di Ni.
Figura 1 . Schematica del processo di spostamento galvanico spontanea. Schema del processo di spostamento galvanico spontanea, con un catione del metallo più nobile (rosso) spostando un modello di metallo (blu)6. Ristampato (adattato) con il permesso di S. M. Alia, Yan S. Y. e B. S. Pivovar, catalisi scienza & tecnologia, 4, 3589 (2014). Copyright 2014 Royal Society of Chemistry. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . Sintetizzato nanofili Pt-Ni: loro composizione ed area. (A) Pt-Ni nanowire composizione in funzione della quantità di Pt precursore (tetrachloroplatinate di potassio) aggiunto ai 40 mg di nanofili Ni durante lo spostamento galvanico. (B) aree di superficie elettrochimico di nanofili di Pt-Ni come sintetizzato in funzione del livello di Pt cilindrata7. I punti dati indicano il valore medio, mentre le barre di errore indicano la deviazione standard della misura. Ristampato (adattato) con il permesso di S. M. Alia, B. A. Larsen, S. Pylypenko, D. A. Cullen, D. R. Diercks, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha e B. S. Pivovar, ACS catalisi, 4, 1114 (2014). Copyright 2014 American Chemical Society. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Attività di massa riduzione dell'ossigeno di idrogeno ricotto Pt-Ni nanofili in funzione della temperatura ricottura8. I punti dati indicano il valore medio, mentre le barre di errore indicano la deviazione standard della misura. Ristampato (adattato) con permesso da S. M. Alia, C. Ngo, Shoulda S., M.-A. Ah, r. r. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko e B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Copyright 2017 American Chemical Society. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Catalizzatore | Hom, ho0.9 v [mA mgPt\u20121] |
Iom, f0.9 v [mA mgPt\u20121] |
| Pt-Ni | 1653 | 1339 |
| H2 | 5213 | 3962 |
| Acido | 3583 | 3153 |
| O2 | 5414 | 5305 |
| PT/HSC | 500 | 375 |
Tabella 1. Attività massa di riduzione di ossigeno prima di (iom, ho) e seguenti (hom, f) test di durabilità cella. Catalizzatori valutati comprendono come sintetizzato (Pt-Ni), ricotto di idrogeno (H2), acido lisciviato (acido) e ossigeno ricotto (O2) Pt-Ni nanofili. Le prestazioni di cella di carbonio-supportato Pt nanoparticelle (Pt/HSC) era fornita anche come un riferimento8. Ristampato (adattato) con permesso da S. M. Alia, C. Ngo, Shoulda S., M.-A. Ah, r. r. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko e B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Copyright 2017 American Chemical Society.
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Discussion
Questi protocolli sono stati utilizzati per produrre elettrocatalizzatori estesa superficie con elevate superficie aree e specifiche attività alla reazione di riduzione dell'ossigeno8. Depositando Pt su modelli nanostrutturati, i nanofili evitato bassi siti coordinati e minimizzano gli effetti di dimensione delle particelle, producendo specifiche attività più di 12 volte maggiore di nanoparticelle di carbonio-supportato Pt. Utilizzando spostamento galvanico come l'approccio di sintesi prodotto anche un rivestimento approssimativo sul modello Ni7. A bassi livelli di spostamento Pt, questo processo ha prodotto elettrochimiche aree di superficie superiore a 90 m2 gPt-1, una svolta significativa nella estese superficie catalizzatori.
Ricottura di idrogeno era necessario per migliorare le prestazioni8. Ricottura a temperature elevate migliorato l'attività specifica di riduzione dell'ossigeno, che è stato razionalizzato come legante effetto causato da Pt grata compressione indebolimento Pt-O Chemiassorbimento9,10. Sebbene l'idrogeno ricottura passo migliorata attività iniziale, l'alta durevolezza e Ni dissoluzione perdite erano una preoccupazione. Lisciviazione acida e ricottura di ossigeno sono stati usati per minimizzare tali perdite. I nanofili di Pt-Ni ottimizzati prodotto attività massa di riduzione di ossigeno di undici volte maggiore di nanoparticelle di carbonio-supportato Pt e tre volte superiore ai fili come sintetizzato. Inoltre sono stati apportati miglioramenti significativi alla durevolezza nanofilo, che ha perso il 3% (come sintetizzato perso 21%) attività di massa e lo 0,3% della massa catalizzatore alla dissoluzione di Ni (come sintetizzato perse 7%).
Pt-Ni nanofili sono stati sviluppati e ottimizzati per le loro prestazioni in semicelle RDE. RDE test è spesso usato in catalizzatore di screening, per valutare le proprietà fondamentali e le funzionalità elettrochimiche di un catalizzatore. Attività RDE, tuttavia, non garantisce prestazioni simili a celle a combustibile, e gruppi di elettrodi a membrana includono attività perdite a causa di trasporto di massa e resistenza elettronica e ionica. I nanofili di Pt-Ni sviluppati in questi protocolli dimostrano più di un'ordine di grandezza più alta attività di Pt nanoparticelle, così come una maggiore durata. Mentre questi risultati suggeriscono che la Pt-Ni nanofili potrebbero ridurre carichi di elettrodo di celle a combustibile per soddisfare le metriche di prestazione di costo, incorporare efficacemente questi materiali in gruppi di elettrodi a membrana rimane una sfida significativa.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Sostegno finanziario è stato fornito dal US Department of Energy, ufficio di efficienza energetica ed energie rinnovabili sotto numero di contratto DE-AC36-08GO28308 a NREL.
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).
