Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Synthese van Platinum-nikkel Nanowires en optimalisatie voor zuurstof vermindering van prestaties

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

Summary

Het protocol beschrijft de synthese en de elektrochemische testen van platina-nikkel nanowires. Nanowires werden gesynthetiseerd door de galvanische verplaatsing van een nikkel nanowire sjabloon. Na synthese verwerking, met inbegrip van waterstof gloeien, zuur uitloging en zuurstof gloeien werden gebruikt voor het optimaliseren van nanowire prestaties en duurzaamheid in de reactie van de vermindering van zuurstof.

Abstract

Platina-nikkel (Pt-Ni) nanowires werden ontwikkeld als electrocatalysts van de brandstofcel, en werden geoptimaliseerd voor de prestaties en duurzaamheid in de reactie van de vermindering van zuurstof. Spontane galvanische verplaatsing werd gebruikt voor het storten van Pt lagen op Ni nanowire substraten. De aanpak van de synthese geproduceerd katalysatoren met hoge specifieke activiteiten en hoge Pt oppervlakten. Waterstof gloeien verbeterd Pt en Ni mengen en specifieke activiteiten. Zuur uitloging werd gebruikt om bij voorkeur Ni in de buurt van het oppervlak van de nanowire, en zuurstof gloeien werd gebruikt om te stabiliseren in de buurt van het oppervlak Ni, verbetering van de duurzaamheid en het minimaliseren van Ni ontbinding. Deze protocollen detail de optimalisatie van elke stap na synthese verwerking, met inbegrip van waterstof gloeien tot 250 ° C, blootstelling aan 0,1 M salpeterzuur en zuurstof gloeien tot 175 ° C. Door deze stappen, Pt-Ni nanowires geproduceerd verhoogde activiteiten meer dan een orde van grootte dan Pt nanodeeltjes, terwijl het aanbieden van belangrijke duurzaamheid verbeteringen. De gepresenteerde protocollen zijn gebaseerd op Pt-Ni systemen in de ontwikkeling van katalysatoren van de brandstofcel. Deze technieken zijn ook gebruikt voor een verscheidenheid van metalen combinaties, en kunnen worden toegepast voor de ontwikkeling van katalysatoren voor een aantal elektrochemische processen.

Introduction

Proton uitwisseling membraan brandstofcellen zijn gedeeltelijk beperkt door de hoeveelheid en de kosten van platina in de katalysator-laag, die kan goed zijn voor de helft van de brandstofcel kosten1vereist. Brandstofcellen, zijn nanomaterialen doorgaans ontwikkeld als zuurstof vermindering van katalysatoren, aangezien de reactie kinetisch langzamer dan waterstof oxidatie. Koolstof-ondersteunde Pt nanodeeltjes worden vaak gebruikt als zuurstof vermindering van electrocatalysts als gevolg van hun hoge oppervlakte; echter ze hebben specifieke selectieve activiteit en zijn gevoelig voor duurzaamheid verliezen.

Uitgebreide dunne films bieden potentiële voordelen voor nanodeeltjes door het aanpakken van deze beperkingen. Uitgebreide Pt oppervlakken meestal produceren van specifieke activiteiten een orde van grootte groter dan nanodeeltjes, door minder actief facetten en deeltje grootte effecten te beperken, en hebben aangetoond dat duurzaam onder potentieel fietsen2,3 , 4. terwijl in uitgebreide oppervlakte electrocatalysts hoge massa activiteiten zijn bereikt, zijn verbeteringen doorgevoerd hoofdzakelijk door stijgingen in specifieke activiteit en het type katalysator heeft is beperkt tot Pt met een lage oppervlakte (10 m2 g PT -1) 3 , 4 , 5.

Spontane galvanische verplaatsing combineert de aspecten van corrosie en electrodeposition6. Het proces is over het algemeen beheerst door de standaard redox-mogelijkheden van de twee metalen, en de afzetting treedt gewoonlijk op wanneer de metalen catie meer reactief dan de sjabloon is. De verplaatsing heeft de neiging voor de productie van nanostructuren die overeenkomen met de morfologie van de sjabloon. Door het toepassen van deze techniek te uitgebreide nanostructuren, kunnen Pt gebaseerde katalysatoren worden gevormd die van de hoge specifieke zuurstof vermindering van activiteit van uitgebreide dunne lagen profiteren. Door gedeeltelijke verplaatsing, kleine hoeveelheden van Pt zijn neergelegd, en materialen met hoge oppervlaktes (> 90 m2 gPt-1)7,8hebben geproduceerd.

Deze protocollen betrekken waterstof gloeien Meng Pt en Ni zones te verbeteren van zuurstof vermindering van activiteit. Een aantal studies hebben theoretisch opgericht het mechanisme en experimenteel bevestigd een legerings effect in vermindering van de zuurstof van de Pt. Modelleren en Pt-OH en Pt-O binding aan zuurstof vermindering van activiteit te correleren suggereren dat Pt kan worden verbeterd door middel van lattice compressie9,10. Pt legeringen met kleinere overgangsmetalen heeft bevestigd dat dit voordeel, en Pt-Ni is onderzocht in een aantal vormen, met inbegrip van polykristallijne, gefacetteerd elektroden, nanodeeltjes en nanostructuren11,12, 13,14.

Galvanische verplaatsing is gebruikt in de Pt-zuurstof reductie katalysator ontwikkeling met een verscheidenheid van andere sjablonen, waaronder zilver, koper en kobalt nanostructuren15,16,17. De synthese techniek is ook gebruikt in de afzetting van andere metalen en heeft electrocatalysts voor brandstofcellen, electrolyse en de elektrochemische oxidatie van alcoholen18,19,20, 21. Soortgelijke protocollen kunnen ook worden aangepast voor de synthese van nanomaterialen met een breder scala van elektrochemische toepassingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. synthese van Pt-Ni Nanowires

  1. Om te beginnen met het proces van verplaatsing, schorten de sjabloon nanowire nikkel in water en verwarmen tot 90 ° C.
    1. Toevoegen van 40 mg verkrijgbare, nikkel nanowires tot 20 mL gedeïoniseerd water in een centrifugebuis 50 mL. Bewerk ultrasone trillingen ten het gedurende 5 minuten.
      Opmerking: De nanowires zijn ongeveer 150-250 nm in diameter en 100-200 µm in lengte.
    2. De zwevende nanowires overbrengen in een 250 mL glazen ronde onderkant kolf en voeg 60 mL gedeïoniseerd water. Verhit de kolf tot 90 ° C in een bad met minerale olie. Roer het reactiemengsel bij 500 omwentelingen per minuut met een peddel van polytetrafluorethyleen verbonden met een glazen schacht en elektrische roerder.
  2. De Pt-Ni nanowires vormen door spontane galvanische verplaatsing.
    1. 8.1 mg kalium tetrachloroplatinate aan 15 mL gedeïoniseerd water toevoegen. De oplossing toevoegen aan een 20 mL spuit met ongeveer 8 cm 0.318 cm polyurethaan gebaseerde buis aangesloten op de tip. Plaats de spuit in een geautomatiseerde-spuitpomp en stelt het tarief aan 1 mL/min.
    2. Start de spuitpomp en laat de pomp om toe te voegen van de oplossing in de kolf met ronde bodem meer dan 15 min. warmte de erlenmeyer op 90 ° C gedurende 2 uur.
    3. Centrifugeer de oplossing bij 2.500 x g gedurende 15 minuten, en giet het supernatant in een afvalstroom. Resuspendeer de solidswith Bad ultrasoonapparaat (ongeveer 10 s) met behulp van de verse oplossing (water of 2-propanol, zoalsgespecificeerd). Centrifugeer de oplossing opnieuw en verwijder de bovendrijvende substantie. Herhaal het wasproces driemaal met gedeïoniseerd water en vervolgens eenmaal met 2-propanol.
    4. Droog de Pt-Ni nanowires bij 40 ° C in een vacuüm oven's nachts (ongeveer 16 h).

2. Controleer samenstelling met inductief gekoppeld Plasma massaspectrometrie (ICP-MS).

Opmerking: Katalysator samenstelling moet 7.3 ± 0,3% van de PM Pt.

  1. Digest 1 mg van monster 10 ml van aqua regia bij kamertemperatuur 's nachts.
  2. Verdun tot concentraties van 200, 20 en 2 ppb, met een matrix matching van de verdunningen naar 1,5% zoutzuur en 0,5% salpeterzuur.
    1. Voeg 20 µL van digestaat in 9,98 mL stockoplossing (1,5%-zoutzuur en 0,5% salpeterzuur) voor 200 ppb; 2 µL van digestaat in 10,00 mL van de stockoplossing (1,5%-zoutzuur en 0,5% salpeterzuur) voor 20 ppb; en 0.2 µL van digestaat in 10,00 mL van de stockoplossing (1,5%-zoutzuur en 0,5% salpeterzuur) voor 2 ppb. De verdunningen met behulp van een filter 0.4 µm polytetrafluorethyleen-gebaseerd filteren.

3. na synthese proces van de Pt-Ni Nanowires door gloeien en zuur uitloging.

  1. Waterstof ontharden de gesynthetiseerde Pt-Ni nanowires.
  2. Het hele nanowire monster toevoegen aan een buisvormige oven. Toepassing vacuüm 's nachts op de buis.
    Opmerking: sinds gas flow (waterstof, zuurstof) werd gebruikt bij verhoogde temperatuur in de tubulaire oven, veiligheidsoverwegingen nodig waren. De buis-gas verbindingen werden gebouwd om ervoor te zorgen dat het apparaat vacuüm en 500 Torr van tegendruk tijdens operatie kon verwerken. De uitlaat buis werd ontlucht om te putten, en de hele oven werd geplaatst in een behuizing die geventileerd op een uitlaat lijn.
    1. Het voeden van een lage stroomsnelheid van waterstof in de buis met 500 Torr van tegendruk.
    2. Verwarm het monster tot 250 ° C gedurende 2 uur, met een snelheid van 10 ° C/min. helling.
    3. Toestaan voor de steekproef afkoelen tot kamertemperatuur natuurlijk.
  3. Zure leach de waterstof gegloeid Pt-Ni nanowires.
    1. 25 mg van de nanowires toevoegen aan 20 mL gedeïoniseerd water en bewerk ultrasone trillingen ten bad. De zwevende nanowires overbrengen in een 100 mL ronde onderkant kolf.
    2. Voeg kamertemperatuur verdund salpeterzuur aan de kolf (25 mL 0,2 M salpeterzuur aan 25 mL water/nanowire vering), breng de inhoud van de kolf aan 50 mL 0,1 M salpeterzuur, en schud de kolf om ervoor te zorgen een uniforme concentratie. Het salpeterzuur allemaal tegelijk toevoegen.
    3. Verbind de kolf met een Schlenk-lijn. Zet het vacuüm voor 10 min en vervolgens het vacuüm afsluiten. Langzaam voeg stikstofgas in de lijn en laat de kolf Ga bij kamertemperatuur voor 2 h. verwijderen van de kolf uit het Schlenk-lijn en wassen van de producten zoals beschreven in stap 1.2.3.
    4. Controleer de compositie bij ICP-MS, die 15.2 ± 0,3 moet % van de PM Pt.
  4. Zuurstof ontharden de zure leached Pt-Ni nanowires.
    1. De nanowires toevoegen aan een commercieel beschikbare buisvormige oven. Toepassing vacuüm 's nachts op de buis.
    2. Het voeden van een laag debiet van zuurstof in de buis met 500 Torr van tegendruk.
    3. Verwarm het monster, tot 175 ° C gedurende 2 uur, met een snelheid van 10 ° C/min. helling.
    4. Toestaan voor de steekproef afkoelen tot kamertemperatuur natuurlijk.

4. elektrochemisch karakteriseren de Nanowires in roterende schijf elektrode (RDE) Half-Cells8

  1. Coat de glazig Koolelektroden werken.
    1. Voegt katalysator, waarin 73 µg voor Pt, toe tot 7,6 mL gedeïoniseerd water in een flesje van 20 mL Scintillatie, en vervolgens 2.4 mL 2-propanol. De inhoud van de flacon worden vervolgens de inkt genoemd. Ijs van de inkt gedurende 5 minuten en voeg vervolgens 10 µL van een commercieel verkrijgbare ionomer.
      Opmerking: voor de als-gesynthetiseerd en waterstof gegloeid katalysator, 1 mg (7.3 pm % Pt) moet worden gebruikt. Voor het zuur doorgespoeld en zuurstof gegloeid katalysator, moet 480 µg (15.2 pm % Pt) worden gebruikt.
    2. Bewerk ultrasone trillingen ten de inkt in ijs, 30 s door hoorn gevolgd door 20 min van bad en 30 s door hoorn. 7,5 mL van de inkt aan 0.5 mg graphitized koolstof nanofibers toevoegen.
    3. Bewerk ultrasone trillingen ten de inkt in ijs, 30 s door hoorn gevolgd door 20 min van bad en 30 s door hoorn. Pipetteer 10 µL van inkt op een glazig koolstof werken elektrode (5 mm buitendiameter), met de omgekeerde elektrode ronddraaiende 100 rpm. Na de inkt pipetteren, de rotatie naar 700 rpm te verhogen.
    4. Bewerk de inkt weer (30 s hoorn, 20 min bad, 30 s hoorn) terwijl de elektrode dries ultrasone trillingen ten en Pipetteer een extra inkt (10 µL) op de elektrode. Voortzetting van het coatingproces te verhogen van het laden tot 1,9 µg cmelec-2, vijf 10 µL druppels inkt.
  2. Monteer de RDE-teststation.
    1. Geniet van het glaswerk overnachting in geconcentreerd zwavelzuur. Vervolgens geniet het glaswerk overnachting in een commercieel beschikbare alternatief voor chroomzuur. Kook achtmaal in gedeïoniseerd water. Monteer het glaswerk, door het aansluiten van de werken, de teller, en de referentie-elektroden naar de belangrijkste testen-cel.
      Opmerking: Het half-cells rde-een drie-elektrode-configuratie wordt gebruikt. De elektroden van de beroeps- en strijd waren glazig koolstof en Pt mesh, respectievelijk. De referentie-elektrode is een omkeerbare waterstofelektrode (RHE), een Pt draad vervat in een glazen waterpijp met 0,1 M perchloorzuuroplossing elektrolyt.
    2. Vul de RDE-half-cell met 0,1 M perchloorzuuroplossing. De elektrode werken sluit aan op een commercieel beschikbare gemoduleerde snelheidsregelaar en dompelen de tip van de elektrode werken.
    3. Electrochemische metingen met een commercieel verkrijgbare potentiostaat nemen. Leegmaken van de elektrolyt met stikstof gedurende 7 minuten.
  3. Neem elektrochemische oppervlakten.
    1. Invoerparameters in een geautomatiseerde cyclische voltammetrie-bestand geleverd door de fabrikant van de potentiostaat. Het nummer van de cyclus instelt op 50, de scanfrequentie 100 mV s-1, de lagere potentie om 0,025 V, en de bovenste potentieel voor 1.4 V. Run het bestand cyclische voltammetrie en gooi de elektrolyt. Vullen met 0,1 M perchloorzuuroplossing en purge met koolmonoxide.
    2. Invoerparameters in een geautomatiseerde potentieel opslaan bestand geleverd door de fabrikant van de potentiostaat. De potentiële 0,1 V en de tijd ingesteld op 20 min, en beginnen met het draaien van de elektrode werken bij 2500 rpm. Stormloop naar de vijl voor potentiële greep: voor de eerste 10 min van het programma, purge koolmonoxide; voor de tweede 10 min van het programma, purge stikstof. Tijdens de laatste 30 s van de wachtruimte, de rotatie uitschakelen en instellen van de bubbler tot deken van het elektrolyt.
    3. Invoerparameters in een geautomatiseerde cyclische voltammetrie-bestand geleverd door de fabrikant van de potentiostaat. Instellen hoeveel cyclus 3, de scanfrequentie 20 mV s-1, het potentieel van de start tot 0,1 V, de lagere potentie om 0,025 V, en de bovenste potentieel voor 1.2 V. Run het cyclische voltammetrie bestand.
  4. Nemen zuurstof vermindering polarisatie curven.
    1. Purge de elektrolyt met zuurstof voor ten minste 7 min. met de werkende elektrode ronddraaiende 2500 rpm.
    2. De zuurstof-purge ingesteld op deken de elektrolyt en langzaam de werkende elektrode rotatie tot 1600 TPM.
    3. Invoerparameters in een geautomatiseerde lineaire sweep voltammetrie bestand geleverd door de fabrikant van de potentiostaat. Instellen hoeveel cyclus tot en met 10, de scanfrequentie 20 mV s-1, het potentieel van de start naar -0,1 V, en het einde potentieel voor 1.05 V. Run het lineaire sweep voltammetrie bestand. Gooi de elektrolyt.
    4. Vullen met 0,1 M perchloorzuuroplossing en purge met zuurstof voor ten minste 7 min. Rerun de lineaire sweep voltammetrie bestand in stap 4.4.3 gebruikt.
  5. Duurzaamheid tests uitvoeren.
    1. Het leegmaken van de elektrolyt met stikstof terwijl het draaien van de elektrode werken bij 2500 rpm. De stikstof-purge ingesteld op deken de elektrolyt en stoppen van de rotatie van de elektrode werken.
    2. Invoerparameters in een geautomatiseerde cyclische voltammetrie-bestand geleverd door de fabrikant van de potentiostaat. Instellen hoeveel cyclus aan 30.000, de scanfrequentie 500 mV s-1, de lagere potentieel 0,6 V, en de bovenste potentieel voor 1.0 V. Run het cyclische voltammetrie bestand.
    3. Neem na duurzaamheid, elektrochemische oppervlakten en zuurstof vermindering polarisatie krommen met behulp van de protocollen geleverd in stappen 4.3 en 4.4.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Spontane galvanische verplaatsing van Ni nanowires met Pt, met behulp van het opgegeven bedrag, geproduceerd Pt-Ni nanowires die 7,3% van de PM Pt (Figuur 1 en Figuur 2A waren). Enige aanpassing aan het bedrag van de voorloper van de Pt mogelijk moet bereiken de optimale Pt laden. De verschuiving van de PT is gevoelig voor de dikte van de Ni oxide bovenlaag, die kan variëren op basis van de sjabloon leeftijd (lucht blootstelling) en upstream variabiliteit22. De samenstelling, echter, is essentieel voor het waarborgen van hoogactieve en ICP-MS werd gebruikt om de optimale samenstelling. Rde-testprotocollen zijn opgenomen, sinds volgende deze protocollen zijn essentieel voor de bevestiging van de juiste synthese en de verwerkingsparameters. Katalysatoren op deze compositie (7.3 pm % Pt) geproduceerd piek zuurstof vermindering massa activiteit7. Hogere hoeveelheden Pt afzetting resulteerde in lagere elektrochemische oppervlakten, toegeschreven aan de lagere Pt-gebruik en de vorming van dikkere Pt lagen (Figuur 2b). Lagere bedragen voor Pt resulteerde in lagere specifieke activiteit, mogelijk als gevolg van een deeltje grootte effect, hoewel de daling van de activiteit milder dan Pt nanoparticle bevindingen2 was.

Waterstof gloeien vereist voor het integreren van de Pt en Ni zones en comprimeren van de Pt lattice8. Rooster compressie verbeterd zuurstof vermindering van activiteit en gloeien tot 250 ° C geproduceerd optimale massa activiteit (Figuur 3). Hoewel de specifieke activiteit bleef bij hogere onthardende temperaturen stijgen, daalt de elektrochemische oppervlakte potentieel door Pt rangschikken aan het oppervlak.

Hoewel waterstof gloeien geproduceerd hoge zuurstof vermindering van activiteit, duurzaamheidstesten geleid tot grote prestaties verliezen en hoge bedragen van Ni ontbinding. Bij voorkeur verwijderen Ni zuur uitloging werd gebruikt, en zuurstof gloeien werd gebruikt voor het verbeteren van duurzaamheid en Ni ontbinding8,22te minimaliseren. Zuur uitloging 15,2% van de PM Pt en zuurstof gloeien tot 175 ° C geproduceerd optimale activiteit en duurzaamheid (tabel 1). Indien grotere hoeveelheden Ni verwijdering heeft plaatsgevonden in het zuur uitloging stap, hoge duurzaamheid werd bereikt, maar ten koste van de oorspronkelijke prestaties. Hoge Pt samenstelling nanowires met lagere specifieke activiteit (dealloying effect) geproduceerd en de materialen zijn van minder belang electrocatalytically. Wanneer lagere hoeveelheden Ni verwijdering voorgedaan bij de zuur uitloging stap, bleven grote hoeveelheden Ni op het oppervlak. Zuurstof gloeien verbeterd de stabiliteit van Ni in de buurt van het oppervlak van de nanowire, toegang tot Pt sites voorkomen tijdens elektrochemische conditionering. De zuurstof onthardende temperatuur van 175 ° C verstrekt een evenwicht tussen de noodzaak om te stabiliseren ondergrond Ni voor duurzaamheid testen, terwijl nog steeds voor Pt toegang tijdens conditionering. Nanowires die 15,2% van de PM Pt waren, produceerde hogere zuurstof onthardende temperaturen lagere initiële activiteit; omgekeerd, lagere zuurstof onthardende temperaturen resulteerde in hogere duurzaamheid verliezen en hogere graden van Ni ontbinding.

Figure 1
Figuur 1 . Schematische van spontane galvanische verplaatsing proces. Schematische voorstelling van het proces van spontane galvanische verplaatsing, met een edeler metaal catie (rood) verdringt een metalen sjabloon (blauw)6. Herdruk (aangepast) met toestemming van S. M. Alia, Y. S. Yan en B. S. Pivovar, katalyse Science & Technology, 4, 3589 (2014). Copyright 2014 Royal Society of Chemistry. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 . Gesynthetiseerd Pt-Ni Nanodraden: hun samenstelling en oppervlak gebied. (A) Pt-Ni nanowire samenstelling als een functie van het bedrag van de voorloper van de Pt (kalium tetrachloroplatinate) toegevoegd aan 40 mg Ni nanowires tijdens galvanische verplaatsing. (B) elektrochemische oppervlakten van als-gesynthetiseerd Pt-Ni nanowires als een functie van het niveau van Pt verplaatsing7. De gegevenspunten duiden de gemiddelde waarde, terwijl de foutbalken de standaarddeviatie van de meting duiden. Herdruk (aangepast) met toestemming van S. M. Alia B. A. Larsen, S. Pylypenko, D. A. Cullen, D. R. Diercks, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha en B. S. Pivovar, ACS katalyse, 4, 1114 (2014). Copyright 2014 American Chemical Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 . Zuurstof vermindering massa activiteit van waterstof gegloeid Pt-Ni nanowires als een functie van de onthardende temperatuur8. De gegevenspunten duiden de gemiddelde waarde, terwijl de foutbalken de standaarddeviatie van de meting duiden. Herdruk (aangepast) met toestemming van S. M. Alia, C. Ngo, S. Shoulda, M.-A. Ha, A. A. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko en B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Copyright 2017 American Chemical Society. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Katalysator Ikm, ik0.9V
[mA mgPt\u20121]		 Ikm, f0.9V
[mA mgPt\u20121]
PT-Ni 1653 1339
H2 5213 3962
Zuur 3583 3153
O2 5414 5305
PT/HSC 500 375

Tabel 1. Zuurstof vermindering massa activiteiten voorafgaand aan (ikm, ik) en volgende (ikm, f) half-cell duurzaamheidstesten. Beoordeeld op katalysatoren omvatten als-gesynthetiseerd (Pt-Ni), waterstof gegloeid (H2), zure doorgespoeld (zuur) en zuurstof gegloeid (O2) Pt-Ni nanowires. De prestaties van de half-cell van koolstof-ondersteunde Pt nanodeeltjes (Pt/HSC) was ook verstrekt als een referentie-8. Herdruk (aangepast) met toestemming van S. M. Alia, C. Ngo, S. Shoulda, M.-A. Ha, A. A. Dameron, J. N. Weker, K. C. Neyerlin, S. S. Kocha, S. Pylypenko en B. S. Pivovar, ACS Omega, 2, 1408 (2017). Copyright 2017 American Chemical Society.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Deze protocollen zijn gebruikt voor de productie van uitgebreide oppervlakte electrocatalysts met zowel hoge oppervlakten en specifieke activiteiten in het zuurstof reductie reactie8. Door het storten van Pt naar nanostructured sjablonen, de nanowires vermeden lage gecoördineerde sites en Minimaliseer deeltje grootte effecten, specifieke activiteiten meer dan 12 keer groter is dan koolstof-ondersteunde Pt nanodeeltjes produceren. Met behulp van galvanische verplaatsing als de synthese aanpak produceerde ook een geschatte coating op de Ni sjabloon7. Op een laag niveau van Pt verplaatsing, dit proces geproduceerd elektrochemische oppervlakten boven 90 m2 gPt-1, een belangrijke doorbraak in de uitgebreide oppervlakte katalysatoren.

Waterstof gloeien was nodig om het verbeteren van prestaties8. Gloeien aan verhoogde temperaturen verbeterd de specifieke activiteit vermindering van de zuurstof, die als een legerings effect veroorzaakt door Pt lattice compressie verzwakking Pt-O chemisorptie9,10werd gerationaliseerd. Hoewel de waterstof gloeien stap verbeterd eerste activiteit, waren de hoge duurzaamheid en Ni ontbinding verliezen een bron van zorg. Zuur uitloging en zuurstof gloeien werden gebruikt om deze verliezen te minimaliseren. De geoptimaliseerde Pt-Ni nanowires geproduceerde zuurstof vermindering massa activiteiten van elf keer groter is dan koolstof-ondersteunde Pt nanodeeltjes en driemaal groter dan de draden als-gesynthetiseerd. Ook zijn er belangrijke verbeteringen aangebracht in de duurzaamheid van de nanowire, die verloor 3% massa activiteit (als-gesynthetiseerd verloren 21%) en 0,3% van de massa van de katalysator Ni ontbinding (als-gesynthetiseerd verloren 7%).

PT-Ni nanowires zijn ontwikkeld en geoptimaliseerd voor hun prestaties in rde-half-cells. Rde-testen wordt vaak gebruikt in de katalysator screening, om de fundamentele eigenschappen en elektrochemische mogelijkheden van een katalysator te evalueren. Rde-activiteit, niet garandeert echter soortgelijke prestaties van de brandstofcel, en membraan-elektrode-assemblies omvatten activiteit verliezen als gevolg van massa transport en elektronische en Ionische weerstand. De Pt-Ni nanowires ontwikkeld in deze protocollen tonen meer dan een orde van grootte hoger activiteit aan Pt nanodeeltjes, evenals verbeterde duurzaamheid. Terwijl deze resultaten suggereren dat Pt-Ni nanowires brandstofcel elektrode belastingen om kosten-prestatiewaarden kunnen verminderen, blijft effectief waarin deze materialen zijn verwerkt in de membraan-elektrode-assemblies een belangrijke uitdaging.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Financiële steun werd voorzien door de US Department of Energy, Office van energie-efficiëntie en hernieuwbare energie onder contractnummer DE-AC36-08GO28308 naar 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Papageorgopoulos, D. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/fc000_papageorgopoulos_2014_o.pdf (2014).
  2. Bregoli, L. J. Influence of Platinum Crystallite Size on Electrochemical Reduction of Oxygen in Phosphoric-Acid. Electrochim. Acta. 23 (6), 489-492 (1978).
  3. Debe, M. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review09/fc_17_debe.pdf (2009).
  4. Debe, M. K., Parsonage, E. E. Nanostructured electrode membranes. US patent. , (1994).
  5. Papandrew, A. B., et al. Oxygen Reduction Activity of Vapor-Grown Platinum Nanotubes. ECS Trans. 50 (2), 1397-1403 (2013).
  6. 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).
  7. Alia, S. M., et al. Platinum-Coated Nickel Nanowires as Oxygen-Reducing Electrocatalysts. ACS Cat. 4 (4), 1114-1119 (2014).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Chen, C., et al. Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces. Science. 343 (6177), 1339-1343 (2014).
  15. Alia, S., et al. Porous Platinum Nanotubes for Oxygen Reduction and Methanol Oxidation Reactions. Adv. Funct. Mater. 20 (21), 3742-3746 (2010).
  16. Alia, S. M., et al. Platinum Coated Copper Nanowires and Platinum Nanotubes as Oxygen Reduction Electrocatalysts. ACS Cat. 3 (3), 358-362 (2013).
  17. Alia, S. M., et al. Platinum-Coated Cobalt Nanowires as Oxygen Reduction Reaction Electrocatalysts. ACS Cat. 4 (8), 2680-2686 (2014).
  18. 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).
  19. Xu, H. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review14/pd103_xu_2014_o.pdf (2014).
  20. Xu, H. U.S. Department of Energy. , Available from: http://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review15/pd103_xu_2015_o.pdf (2015).
  21. 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).
  22. 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).

Tags

Chemie kwestie 134 platina uitgebreide oppervlakken vermindering van zuurstof brandstofcellen Electrocatalysts nanomaterialen
Synthese van Platinum-nikkel Nanowires en optimalisatie voor zuurstof vermindering van prestaties
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter