تركيب أسلاك البلاتين والنيكل والأمثل للأكسجين الحد من الأداء

Summary

ويصف البروتوكول توليف واختبار الكهروكيميائية لاسلاك البلاتين والنيكل. تم توليف أسلاك بتشريد غلفانيه قالب أسلاك متناهية الصغر النيكل. التوليف ما بعد المعالجة، بما في ذلك الهيدروجين الصلب وحمض النض والصلب الأكسجين استخدمت لتحسين أداء أسلاك متناهية الصغر والمتانة في رد فعل الحد من الأوكسجين.

Abstract

أسلاك البلاتين والنيكل (Pt-ني) وضعت كخلية الوقود اليكتروكاتاليستس، وكانت الأمثل للأداء والمتانة في رد فعل الحد من الأكسجين. واستخدمت التشرد غلفانيه عفوية إيداع طبقات حزب العمال على ركائز أسلاك متناهية الصغر ني. النهج التجميعي إنتاج المواد الحفازة بأنشطة محددة عالية وعالية Pt المساحات السطحية. الهيدروجين الصلب تحسن النشاط خلط وتحديداً حزب العمال والمؤسسات الوطنية. النض حمض استخدمت بشكل تفضيلي إزالة ني قرب السطح أسلاك متناهية الصغر، والأكسجين الصلب كان يستخدم لتحقيق استقرار ني القريبة من السطح، تحسين متانة والتقليل إلى أدنى حد ني انحلال. هذه البروتوكولات بالتفصيل الأمثل لكل خطوة من خطوات تجهيز التوليف فيما بعد، بما في ذلك الهيدروجين الصلب إلى 250 درجة مئوية، والتعرض لحمض النيتريك 0.1 M، والأكسجين الصلب إلى 175 درجة مئوية. من خلال هذه الخطوات، تنتج أسلاك بط ني زيادة الأنشطة أكثر من حجم من جسيمات نانوية Pt، حين تقدم تحسينات كبيرة من المتانة. البروتوكولات المقدمة تستند إلى نظم بط ني في تطوير عوامل حفازة خلية الوقود. هذه التقنيات قد استخدمت أيضا لمجموعة متنوعة من تركيبات معدنية، ويمكن تطبيقها على تطوير عوامل حفازة لعدد من العمليات الكهروكيميائية.

Introduction

خلايا وقود غشاء تبادل البروتون مقيدة جزئيا بكمية وتكلفة البلاتين المطلوبة في طبقة محفز، التي يمكن أن تستأثر بنصف تكاليف خلية الوقود¹. في خلايا الوقود، المواد متناهية الصغر توضع عادة كعوامل حفازة في الحد من الأكسجين، نظراً لأن رد الفعل كينيتيكالي أبطأ من أكسدة الهيدروجين. جسيمات نانوية Pt المدعومة من الكربون كثيرا ما تستخدم كالأوكسجين الحد اليكتروكاتاليستس بسبب تلك المساحة السطحية العالية؛ بيد أنها محددة النشاط الانتقائي وعرضه للخسائر المتانة.

الأغشية الرقيقة موسعة توفر المنافع المحتملة لجسيمات نانوية بالتصدي لهذه القيود. الموسعة Pt السطوح عادة إنتاج أنشطة محددة أمر من حجم أكبر من جسيمات نانوية، عن طريق الحد من جوانب أقل نشاطا وآثار حجم الجسيمات، وقد ثبت أن تكون دائمة تحت إمكانية ركوب الدراجات^{2،3 , 4}-أنشطة جماعية عالية قد تحققت في اليكتروكاتاليستس سطح الموسعة، وقد أدخلت تحسينات أساسا من خلال الزيادات في نشاط محدد ونوع محفز كانت محدودة لحزب العمال مع مساحة منخفضة (10 م² ز _{حزب العمال} ^-1) ^{3 , 4 , 5}.

التشرد غلفانيه عفوية يجمع بين الجوانب من التآكل واليكتروديبوسيشن⁶. العملية عموما تخضع إمكانيات الأكسدة القياسية من المعادن اثنين، والترسب يحدث عادة عند الموجبة المعدني رد الفعل أكثر من القالب. التشرد يميل إلى إنتاج النانو التي تطابق مورفولوجية القالب. بتطبيق هذا الأسلوب على النانو الموسعة، يمكن أن تشكل عوامل حفازة المستندة إلى حزب العمال التي تستفيد من نشاط الحد من الأوكسجين المحددة عالية الأغشية الرقيقة الموسعة. من خلال التشرد الجزئي، وقد أودعت كميات صغيرة من حزب العمال، وأنتجت مواد ذات المساحات السطحية عالية (> 90 م² ز_Pt^-1)^7،8.

تنطوي هذه البروتوكولات الهيدروجين الصلب إلى مزيج مناطق حزب العمال والمؤسسات الوطنية وتحسين نشاط تخفيض الأوكسجين. نظرياً أنشأ الآلية عدد من الدراسات وأكدت تجريبيا أثر تسبيك في تخفيض الأكسجين Pt. النمذجة وربط ملزمة Pt-OH و Pt-O لنشاط تخفيض الأكسجين تشير إلى أنه يمكن إدخال تحسينات حزب العمال من خلال شعرية ضغط^9،10. خلط حزب العمال مع أصغر انتقال المعادن قد أكدت هذا الاستحقاق، وبط ني وقد تم التحقيق في عدد من النماذج، بما في ذلك أقطاب الأوجه وجسيمات نانوية، الكريستالات والنانو^{11،12، 13،14}.

وقد استخدمت التشرد غلفانيه في Pt-الأكسجين خفض حافز التنمية مع مجموعة متنوعة من القوالب الأخرى، بما في ذلك الفضة والنحاس والكوبالت النانو^15،،من¹⁶¹⁷. تقنية التوليف قد استخدمت أيضا في ترسب المعادن الأخرى، وقد أنتجت اليكتروكاتاليستس لخلايا الوقود والجهاز الكهربائي، والأكسدة الكهروكيميائية كحول^18،،من^{1920، 21}. يمكن تكييفها مع بروتوكولات مماثلة أيضا لتركيب المواد النانوية مع مجموعة واسعة من التطبيقات الكهروكيميائية.

Protocol

1-تجميع أسلاك بط ني

1. للبدء بعملية التشريد، تعليق القالب أسلاك متناهية الصغر النيكل في المياه والحرارة إلى 90 درجة مئوية.
   1. إضافة 40 مغ من المتاحة تجارياً، النيكل أسلاك إلى 20 مل مياه في أنبوب الطرد مركزي 50 مل. Sonicate عليه لمدة 5 دقائق.
      ملاحظة: يتم أسلاك حوالي 150-250 نيوتن متر في القطر و 100-200 ميكرون في الطول.
   2. نقل أسلاك معلقة على زجاج 250 مل جولة أسفل قارورة وإضافة 60 مل مياه. الحرارة قارورة إلى 90 درجة مئوية في حمام زيت المعدني. يقلب الخليط رد فعل 500 لفة في الدقيقة مع مجداف تترافلوروايثيلين متصلاً رمح الزجاج ومحرض الكهربائية.
2. شكل أسلاك بط ني بعفوية التشرد غلفانيه.
   1. إضافة 8.1 مغ تيتراتشلوروبلاتيناتي البوتاسيوم إلى 15 مل مياه. إضافة الحل إلى حقنه 20 مل بحوالي 8 سم أنابيب البولي يوريثان المستندة سم 0.318 تعلق على الحافة. ضع المحاقن في مضخة الحقن الآلي، وتعيين المعدل 1 مل/دقيقة.
   2. بدء ضخ حقنه، والسماح للمضخة لإضافة الحل إلى قارورة قاع الجولة ما يزيد على 15 دقيقة الحرارة قارورة عند 90 درجة مئوية ح 2.
   3. الطرد المركزي الحل في س 2,500 ز لمدة 15 دقيقة، وصب المادة طافية في تيار نفايات. ريسوسبيند sonication حمام سوليدسويث (حوالي 10 s) باستخدام حل جديد (الماء أو 2-بروبانول، كما هو محدد). الطرد المركزي الحل مرة أخرى وإزالة المادة طافية. كرر عملية الغسيل ثلاث مرات مع المياه ومرة واحدة ثم مع 2-بروبانول.
   4. الجاف لاسلاك بط ني عند 40 درجة مئوية في فرن فراغ بين عشية وضحاها (حوالي 16 ح).

2. التحقق من تكوين مع الحث يقترن البلازما-الكتلي (برنامج المقارنات الدولية-MS).

ملاحظة: يجب أن يكون تكوين محفز 7.3 ± 0.3% بالوزن Pt.

1. خلاصة 1 ملغ من العينة في 10 مل ريجيا أكوا في درجة حرارة الغرفة بين عشية وضحاها.
2. تمييع لتركيزات 200 و 20، و 2 جزء في البليون، مع مطابقة مصفوفة من تخفيف لحمض النيتريك الهيدروكلوريك و 0.5% 1.5%.
   1. إضافة 20 ميليلتر من ديجيستاتي إلى 9.98 مل من محلول الأسهم (1.5% الهيدروكلوريك و 0.5% حمض النيتريك) عن 200 جزء في البليون؛ 2 ميليلتر من ديجيستاتي إلى 10.00 مل من محلول الأسهم (1.5% الهيدروكلوريك و 0.5% حمض النيتريك) عن 20 جزء في البليون؛ وميليلتر 0.2 من ديجيستاتي إلى 10.00 مل من محلول الأسهم (1.5% الهيدروكلوريك و 0.5% حمض النيتريك) عن 2 جزء في البليون. تصفية تخفيف استخدام عامل تصفية على أساس تترافلوروايثيلين 0.4 ميكرومتر.

3-توليف بعد انتهاء عملية أسلاك بط ني من الصلب وحمض النض.

1. الهيدروجين يصلب أسلاك بط ني تجميعي.
2. إضافة نموذج كامل أسلاك متناهية الصغر إلى فرن أنبوبي. تطبيق فراغ الأنبوب بين عشية وضحاها.
   ملاحظة: منذ الغاز تدفق (الهيدروجين والأكسجين) استخدمت عند درجة حرارة مرتفعة في فرن أنبوبي، واعتبارات السلامة المطلوبة. بنيت اتصالات أنبوب للغاز التأكد من أن الجهاز يمكن التعامل مع الفراغ و 500 ميلليمتر زئبق للضغط مرة أخرى أثناء العملية. منفذ أنبوب كان تنفيس للعادم، ووضع الفرن كامل في ضميمة تنفيس بخط عادم.
   1. تغذية بمعدل تدفق منخفض من الهيدروجين في الأنبوب مع 500 ميلليمتر زئبق للضغط الخلفي.
   2. حرارة العينة إلى 250 درجة مئوية ح 2، استخدام معدل منحدر 10 درجة مئوية/دقيقة.
   3. السماح للعينة لتبرد بدرجة حرارة الغرفة بطبيعة الحال.
3. ليش حمض الهيدروجين تعتيق أسلاك بط ني.
   1. إضافة 25 ملغ أسلاك إلى 20 مل مياه. وحمام sonicate عليه. نقل أسلاك معلقة 100 مل جولة قارورة السفلي.
   2. إضافة درجة حرارة الغرفة المخفف حمض النيتريك إلى قارورة (25 مل حمض النيتريك 0.2 M إلى 25 مل تعليق المياه/أسلاك متناهية الصغر)، إلى محتويات قارورة 50 مل حمض النيتريك 0.1 M، وهز قارورة لضمان تركيز موحد. أضف حمض النيتريك في كل مرة.
   3. الاتصال قارورة خط شلينك. قم بتشغيل هذا الفراغ لمدة 10 دقائق ثم قم بإغلاق قبالة الفراغ. ببطء إضافة غاز النيتروجين في السطر والسماح قارورة المضي قدما في درجة حرارة الغرفة لإزالة قارورة من خط شلينك 2 حاء وغسل المنتجات كما هو موضح في الخطوة 1.2.3.
   4. تحقق من التكوين مع MS برنامج المقارنات الدولية، التي ينبغي أن تكون 15.2 ± 0.3% بالوزن Pt.
4. الأكسجين يصلب أسلاك بط ني ترشح الحمضية.
   1. إضافة أسلاك لفرن أنبوبي متاحة تجارياً. تطبيق فراغ الأنبوب بين عشية وضحاها.
   2. تغذية بمعدل تدفق منخفض الأكسجين في الأنبوب مع 500 ميلليمتر زئبق للضغط الخلفي.
   3. حرارة العينة إلى 175 درجة مئوية ح 2، استخدام معدل منحدر 10 درجة مئوية/دقيقة.
   4. السماح للعينة لتبرد بدرجة حرارة الغرفة بطبيعة الحال.

4-اليكتروتشيميكالي تميز أسلاك في تدوير القرص الكهربائي (استخلاص) هالفسيلس⁸

1. معطف أقطاب العامل الكربون زجاجي.
   1. إضافة محفز، الذي يحتوي على 73 ميكروغرام لحزب العمال، إلى 7.6 مل مياه في قنينة التﻷلؤ 20 مل ثم قم بإضافة 2.4 مل من 2-بروبانول. وفي وقت لاحق محتويات القنينة يشار الحبر. الجليد الحبر لمدة 5 دقائق ثم قم بإضافة 10 ميليلتر من إيونومير المتاحة تجارياً.
      ملاحظة: بالنسبة تصنيعه والهيدروجين تعتيق محفز، وينبغي أن تستخدم 1 ملغ (7.3% بالوزن Pt). الحمض المقلوعة والأكسجين تعتيق محفز، ينبغي أن تستخدم ميكروغرام 480 (15.2% بالوزن Pt).
   2. Sonicate الحبر في الجليد، 30 s قبل القرن الذي يليه 20 دقيقة بحمام و 30 ثانية بالقرن الأفريقي. إضافة 7.5 مل الحبر إلى 0.5 ملغ النانو جرافيتيزيد الكربون.
   3. Sonicate الحبر في الجليد، 30 s قبل القرن الذي يليه 20 دقيقة بحمام و 30 ثانية بالقرن الأفريقي. "الماصة؛" 10 ميليلتر من الحبر على الكربون زجاجي قطب كهربائي عامل (القطر الخارجي 5 مم)، مع مسرى مقلوب بالتناوب في 100 لفة في الدقيقة. بعد بيبيتينج الحبر، زيادة الاستدارة إلى 700 لفة في الدقيقة.
   4. Sonicate الحبر مرة أخرى (30 ق القرن، حمام 20 دقيقة، 30 ثانية القرن) حين يجفف القطب و "الماصة؛" حبر إضافية على مسرى (10 ميليلتر). مواصلة عملية طلاء لزيادة التحميل إلى 1.9 ميكروغرام سم_{انتخابات}^-2، ميليلتر 10 خمس قطرات من الحبر.
2. تجميع محطة اختبار استخلاص.
   1. نقع في الأواني الزجاجية بين عشية وضحاها في تركيز حامض الكبريتيك. ثم نقع الأواني بين عشية وضحاها في بديل متاح تجارياً لحمض الكروميك. يغلي ثماني مرات في المياه. تجميع الأواني الزجاجية، التي تربط العامل، العداد، واقطاب مرجع إلى خلية الاختبار الرئيسي.
      ملاحظة: استخدام هالفسيلس استخلاص تكوين ثلاثة قطب كهربائي. وكانت أقطاب العمل ويتعارض مع الكربون زجاجي ومش حزب العمال، على التوالي. مسرى مرجع كان قطب هيدروجين عكسها (RHE)، حزب العمال سلك الواردة في bubbler زجاج مع المنحل بالكهرباء حمض بيرتشلوريك 0.1 متر.
   2. ملء هالفسيل استخلاص مع حمض بيرتشلوريك 0.1 متر. الاتصال الكهربائي العامل وحدة تحكم سرعة التضمين متاحة تجارياً، وغمر طرف القطب العامل.
   3. أخذ القياسات الكهروكيميائية مع بوتينتيوستات متاحة تجارياً. تطهير اﻻلكتروﻻيت مع النيتروجين لمدة 7 دقائق.
3. تأخذ المساحات السطحية الكهروكيميائية.
   1. معلمات الإدخال إلى ملف فولتاميتري دوري الآلي تم توفيره بواسطة الشركة المصنعة بوتينتيوستات. تعيين عدد دورة إلى 50، معدل المسح الضوئي إلى 100 mV s^-1وأقل إمكانية 0.025 الخامس وإمكانات العلوي إلى 1.4 ف تشغيل الملف فولتاميتري دوري وتجاهل الكهرباء. إعادة ملء مع حمض بيرتشلوريك م 0.1 وتطهير مع أول أكسيد الكربون.
   2. معلمات الإدخال إلى إمكانات الآلي اضغط ملف تم توفيره بواسطة الشركة المصنعة بوتينتيوستات. تعيين 0.1 المحتملة الخامس والوقت إلى 20 دقيقة، وتبدأ بالتناوب الكهربائي العامل 2,500 لفة في الدقيقة. قم بتشغيل الملف عقد المحتملة: لأول 10 دقيقة من البرنامج، إزالة أول أكسيد الكربون؛ لمدة 10 دقيقة الثانية من البرنامج، إزالة النيتروجين. خلال 30 الأخير s الاحتجاز، إيقاف عملية التناوب وتعيين ببلير بطانية الكهرباء.
   3. معلمات الإدخال إلى ملف فولتاميتري دوري الآلي تم توفيره بواسطة الشركة المصنعة بوتينتيوستات. تعيين عدد دورة إلى 3، معدل المسح الضوئي إلى إمكانية بدء 0.1 V وأقل إمكانية 0.025 الخامس، ق أم 20^-1وإمكانات العلوي إلى 1.2 ف تشغيل الملف فولتاميتري دوري.
4. تأخذ الأكسجين الحد من الاستقطاب المنحنيات.
   1. تطهير اﻻلكتروﻻيت مع الأكسجين لمالا يقل عن 7 دقائق مع العامل الكهربائي بالتناوب 2,500 لفة في الدقيقة.
   2. تعيين تطهير الأوكسجين إلى بطانية الكهرباء وبطء التناوب الكهربائي العامل إلى 1,600 لفة في الدقيقة.
   3. معلمات الإدخال إلى ملف فولتاميتري اكتساح خطية الآلي تم توفيره بواسطة الشركة المصنعة بوتينتيوستات. تعيين عدد دورة إلى 10، معدل المسح الضوئي إلى 20 mV s^-1، وعلى إمكانية بدء-0.1 V، وإمكانية نهاية 1.05 ضد تشغيل الملف فولتاميتري اكتساح الخطي. تجاهل الكهرباء.
   4. إعادة ملء مع حمض بيرتشلوريك م 0.1 وتطهير مع الأكسجين لإعادة استخدام الملف فولتاميتري اكتساح الخطي في خطوة 4.4.3 على الأقل 7 الحد الأدنى.
5. قم بتشغيل اختبارات المتانة.
   1. تطهير اﻻلكتروﻻيت مع النيتروجين أثناء التناوب الكهربائي العامل 2,500 لفة في الدقيقة. تعيين إزالة النيتروجين إلى بطانية الكهرباء ووقف التناوب الكهربائي العامل.
   2. معلمات الإدخال إلى ملف فولتاميتري دوري الآلي تم توفيره بواسطة الشركة المصنعة بوتينتيوستات. تعيين عدد دورة إلى 30 ألفا، معدل المسح الضوئي إلى 500 s أم^-1واحتمال انخفاض 0.6 V وإمكانات العلوي إلى 1.0 ف تشغيل الملف فولتاميتري دوري.
   3. بعد المتانة، تأخذ المساحات السطحية الكهروكيميائية والأكسجين الحد من الاستقطاب المنحنيات باستخدام البروتوكولات المتوفرة في الخطوات 4، 3 و 4-4.

النتائج

أنتجت التشرد غلفانيه عفوية من أسلاك ني مع حزب العمال، المبلغ المحدد، باستخدام أسلاك ني حزب العمال التي كانت 7.3% بالوزن Pt (الشكل 1 و الشكل 2أ). قد يلزم إدخال بعض التعديلات على كمية السلائف حزب العمال للوصول إلى نقطة الأمثل تحميل. التش...

Discussion

استخدمت هذه البروتوكولات لإنتاج اليكتروكاتاليستس السطحية الموسعة مع المناطق السطحية العالية وأنشطة محددة في رد فعل خفض الأكسجين⁸. بإيداع حزب العمال على قوالب ذات البنية النانومترية، تجنب مواقع منسقة منخفضة أسلاك والتقليل إلى أدنى حد من آثار حجم الجسيمات، المنتجة لأنشطة مح?...

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