Клетка

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 24600 (2016) Цитировать эту статью

3494 Доступа

11 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Точная настройка структуры и полное использование компонентов наночастиц эффективно повышают их каталитическую эффективность в конкретной реакции. Здесь мы демонстрируем конструкцию наночастиц Pt-Pd со структурой колокола, где оболочка Pd специально выбрана для улучшения каталитических свойств и устойчивости Pt к метанолу в реакции восстановления кислорода. Эта стратегия начинается с синтеза наночастиц Pt@Ag ядро-оболочка с последующей реакцией гальванического замещения между оболочкой Ag и ионами Pd2+ с образованием наночастиц ядро-оболочка-оболочка Pt@Ag@Ag-Pd с платиновым ядром и двойной оболочкой, состоящей из Ag внутри и сплав Ag-Pd снаружи соответственно. Затем шаблоны «ядро-оболочка-оболочка» перемешиваются с насыщенным раствором NaCl для удаления компонента Ag из двойных оболочек, что приводит к образованию биметаллических наночастиц Pt-Pd со структурой «клетка-колокол», определяемых как подвижное Pt-ядро, окруженное пористая оболочка Pd, которая проявляет повышенную каталитическую активность по восстановлению кислорода по сравнению с затравками Pt за счет дополнительного катализа со стороны Pd оболочки. Кроме того, из-за различного диффузионного поведения молекул метанола и кислорода в пористой оболочке Pd наноструктуры Pt-Pd в форме колокола также демонстрируют превосходную устойчивость к метанолу в качестве катализатора восстановления кислорода.

Повышение селективности электрокатализаторов на основе Pt для ORR является эффективным способом преодоления перехода метанола от анода к катоду, одной из основных проблем в топливных элементах прямого метанола (DMFC), что приводит к значительному сокращению топливного элемента. эффективность за счет создания смешанного потенциала на катоде1,2,3. В наших предыдущих исследованиях мы продемонстрировали концепцию, согласно которой хорошая селективность ORR платинового (Pt) катализатора может быть реализована за счет геометрии колоколообразной структуры (CBS)4,5,6 или так называемой структуры желтковой скорлупы в некоторых отчетах7. ,8, что означает подвижное ядро, окруженное пористой оболочкой. В наночастицах CBS каталитически активный металл, т.е. Pt, был помещен в область ядра, защищенную пористой металлической оболочкой, например, рутением (Ru), осмием (Os) или иридием (Ir), который неактивен в отношении окисления метанола. Хотя металлические оболочки могут эффективно ингибировать реакцию окисления метанола (MOR), предотвращая диффузию молекул метанола внутрь частиц CBS, первоначальная конструкция не является экономически эффективной. Металлические оболочки (Ru, Os или Ir) вызывают дополнительную стоимость платиновых электрокатализаторов, но не вносят вклада в ORR, поскольку они также неактивны в восстановлении кислорода.

Поэтому в этой работе мы стремимся найти более экономичный путь производства наночастиц CBS с ORR-активным Pt-ядром и специально выбранной металлической оболочкой, которая инертна для MOR, но активна для ORR, а палладий (Pd) входит в число кандидатов на роль Pt. компонент оболочки. В нашем недавнем прогрессе в синтезе наночастиц Pd с полой структурой мы обнаружили, что реакция гальванического замещения между частицами серебра (Ag) и ионами Pd2+ приведет к образованию наноструктур ядро-оболочка с ядром из Ag и оболочкой из сплава Ag-Pd. (Ag@Ag-Pd)9,10,11,12, и этот вывод закладывает основу стратегии, разработанной в этой работе. Короче говоря, наночастицы Pt@Ag ядро-оболочка с платиновым ядром и оболочкой из Ag сначала получают путем восстановления предшественников Ag+ в присутствии предварительно синтезированных затравочных частиц Pt в олеиламине. Затем проводят реакцию гальванического замещения между оболочкой Ag и ионами Pd2+ с образованием наночастиц ядро-оболочка-оболочка Pt@Ag@Ag-Pd с платиновым ядром и двойными оболочками, состоящими из Ag внутри и сплава Ag-Pd снаружи. регионов соответственно. Впоследствии шаблоны Pt@Ag@Ag-Pd ядро-оболочка-оболочка перемешиваются с раствором NaCl для удаления компонента Ag из внутренней и внешней оболочек для формирования конечных наночастиц Pt-Pd со структурой колоколообразной структуры, определяемой как подвижное Pt-ядро, окруженное пористой Pd-оболочкой. Как мы покажем позже, наночастицы CBS Pt-Pd демонстрируют превосходную активность, долговечность и селективность в отношении ORR в присутствии высокой концентрации метанола по сравнению с таковыми исходных затравочных частиц Pt. Кроме того, концепция этой работы может быть расширена для создания других наночастиц CBS с повышенной активностью и желаемой селективностью для данной химической реакции.