Please wait a minute...
Frontiers in Energy

ISSN 2095-1701

ISSN 2095-1698(Online)

CN 11-6017/TK

邮发代号 80-972

2019 Impact Factor: 2.657

Frontiers in Energy  2017, Vol. 11 Issue (3): 254-259   https://doi.org/10.1007/s11708-017-0493-3
  本期目录
Pt-Ni nanourchins as electrocatalysts for oxygen reduction reaction
Qiaowan CHANG1, Yuan XU1, Shangqian ZHU1, Fei XIAO1, Minhua SHAO2()
1. Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China
2. Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China; Energy Institute, Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China
 全文: PDF(244 KB)   HTML
Abstract

Pt-Ni bimetallic alloys with various nanostructures have shown excellent activity toward oxygen reduction reaction (ORR). The ORR activity is highly dependent on the structure of the catalyst. In this paper, Pt-Ni nanourchins were synthesized with an average size of 50 nm consisting of 10–20 nanorods and nanooctahedra by adjusting the synthesis condition. The formation of Pt-Ni nanourchins is mainly dependent on the adding order of solvents (benzyl ether, oleylamine and oleic acid). Pt-Ni nanourchins present a reasonable high ORR activity (0.81 A/mg at 0.9 V).

Key wordsPt-Ni alloys    nanourchins    oxygen reduction reaction    shape control    fuel cells
收稿日期: 2017-04-25      出版日期: 2017-09-07
Corresponding Author(s): Minhua SHAO   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers in Energy, 2017, 11(3): 254-259.
Qiaowan CHANG, Yuan XU, Shangqian ZHU, Fei XIAO, Minhua SHAO. Pt-Ni nanourchins as electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Front. Energy, 2017, 11(3): 254-259.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/fie/CN/10.1007/s11708-017-0493-3
https://academic.hep.com.cn/fie/CN/Y2017/V11/I3/254
Fig.1  
Fig.2  
Fig.3  
No. Last added solvent With or without W(CO) 6 Heating rates/(°C·min −1) Morphology
1 OAm Without 10 Nanourchin
2 OAm With* 10 Nanourchin
3 OAm With* 20 Nanourchin
4 OAc With* 10 Nanoparticle
5 OAc With** 10 Nano-octahedron
Tab.1  
Fig.4  
Catalysts ECSA H/ (m2·gPt−1) SA H/ (mA·cm−2) MA Pt/ (A·mgPt−1)
Pt/C 85.0 0.24 0.20
Pt 2.2Ni/C 38.1 2.13 0.81
Tab.2  
30 Shen T, Chen  M, Du C ,  Sun Y, Tan  Q, Du L ,  Chen G, Yin  G. Facile synthesis of Pt3Ni alloy nanourchins by temperature modulation and their enhanced electrocatalytic properties. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 645: 309–316 
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.05.102
31 Cantone B, Grasso  F, Pignataro S . Decomposition processes and fragmentation probabilities of W(CO)6 by electron impact. Journal of Chemical Physics, 1966, 44(8): 3115–3120
https://doi.org/ 10.1063/1.1727189
32 Flitsch F, Swanson  J, Friend C . Thermal and photo induced decomposition of W (CO)6 on W (110). Surface Science, 1991, 245(1–2): 85–95 
https://doi.org/10.1016/0039-6028(91)90470-D
1 Jayasayee K, Van Veen  J R, Manivasagam  T G, Celebi  S, Hensen E J ,  de Bruijn F A . Oxygen reduction reaction (ORR) activity and durability of carbon supported PtM (Co, Ni, Cu) alloys: influence of particle size and non-noble metals. Applied Catalysis B: Environmental, 2012, 111–112: 515–526
https://doi.org/ 10.1016/j.apcatb.2011.11.003
2 Jeon T Y, Yoo  S J, Cho  Y H, Lee  K S, Kang  S H, Sung  Y E. Influence of oxide on the oxygen reduction reaction of carbon-supported Pt-Ni alloy nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(45): 19732–19739 
https://doi.org/10.1021/jp9076273
3 Hasché F, Oezaslan  M, Strasser P . Activity, structure and degradation of dealloyed PtNi3 nanoparticle electrocatalyst for the oxygen reduction reaction in PEMFC. Journal of the Electrochemical Society, 2011, 159(1): B24–B33
4 Mani P, Srivastava  R, Strasser P . Dealloyed binary PtM3 (M= Cu, Co, Ni) and ternary PtNi3M (M= Cu, Co, Fe, Cr) electrocatalysts for the oxygen reduction reaction: performance in polymer electrolyte membrane fuel cells. Journal of Power Sources, 2011, 196(2): 666–673
https://doi.org/ 10.1016/j.jpowsour.2010.07.047
5 Lin S P, Wang  K W, Liu  C W, Chen  H S, Wang  J H. Trends of oxygen reduction reaction on platinum alloys: a computational and experimental study. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(27): 15224–15231
https://doi.org/ 10.1021/acs.jpcc.5b02849
6 van der Vliet D F ,  Wang C, Li  D, Paulikas A P ,  Greeley J ,  Rankin R B ,  Strmcnik D ,  Tripkovic D ,  Markovic N M ,  Stamenkovic V R . Unique electrochemical adsorption properties of Pt-skin surfaces. Angewandte Chemie, 2012, 124(13): 3193–3196 
https://doi.org/10.1002/ange.201107668
7 Gümeci C, Li  Z, Casadonte D J ,  Korzeniewski C . Pt-Ni nanoparticles for oxygen reduction prepared by a sonochemical method. Journal of the Electrochemical Society, 2012, 159(3): F35–F41
https://doi.org/ 10.1149/2.029203jes
8 da Silva F T ,  Dalmazzo V A ,  Becker M R ,  de Souza M O ,  de Souza R F ,  Martini E M . Effect of Ni proportion on the performance of proton exchange membrane fuel cells using PtNi/C electrocatalysts. Ionics, 2014, 20(3): 381–388
https://doi.org/ 10.1007/s11581-013-0977-z
9 Huang X, Zhu  E, Chen Y ,  Li Y, Chiu  C Y, Xu  Y, Lin Z ,  Duan X, Huang  Y. A facile strategy to Pt3Ni nanocrystals with highly porous features as an enhanced oxygen reduction reaction catalyst. Advanced Materials, 2013, 25(21): 2974–2979 
https://doi.org/10.1002/adma.201205315
10 Cui C, Gan  L, Li H H ,  Yu S H ,  Heggen M ,  Strasser P . Octahedral PtNi nanoparticle catalysts: exceptional oxygen reduction activity by tuning the alloy particle surface composition. Nano Letters, 2012, 12(11): 5885–5889
https://doi.org/ 10.1021/nl3032795
11 Caldwell K M, Ramaker  D E, Jia  Q, Mukerjee S ,  Ziegelbauer J M ,  Kukreja R S ,  Kongkanand A . Spectroscopic in situ measurements of the relative Pt skin thicknesses and porosities of dealloyed PtMn (Ni, Co) electrocatalysts. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(1): 757–765 
https://doi.org/10.1021/jp5098553
12 Snyder J, McCue  I, Livi K ,  Erlebacher J . Structure/processing/properties relationships in nanoporous nanoparticles as applied to catalysis of the cathodic oxygen reduction reaction. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(20): 8633–8645
https://doi.org/ 10.1021/ja3019498
13 Wu J, Gross  A, Yang H . Shape and composition-controlled platinum alloy nanocrystals using carbon monoxide as reducing agent. Nano Letters, 2011, 11(2): 798–802
https://doi.org/10.1021/nl104094p
14 Shao M, Chang  Q, Dodelet J P ,  Chenitz R . Recent advances in electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Chemical Reviews, 2016, 116(6): 3594–3657
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00462
15 Choi S I, Xie  S, Shao M ,  Lu N, Guerrero  S, Odell J H ,  Park J, Wang  J, Kim M J ,  Xia Y. Controlling the size and composition of nanosized Pt–Ni octahedra to optimize their catalytic activities toward the oxygen reduction reaction. ChemSusChem, 2014, 7(5): 1476–1483 
https://doi.org/10.1002/cssc.201400051
16 Choi S I, Xie  S, Shao M ,  Odell J H ,  Lu N, Peng  H C, Protsailo  L, Guerrero S ,  Park J, Xia  X, Wang J ,  Kim M J ,  Xia Y. Synthesis and characterization of 9 nm Pt–Ni octahedra with a record high activity of 3.3 A/mgPt for the oxygen reduction reaction. Nano Letters, 2013, 13(7): 3420–3425
https://doi.org/10.1021/nl401881z
17 Huang X, Zhao  Z, Cao L ,  Chen Y, Zhu  E, Lin Z ,  Li M, Yan  A, Zettl A ,  Wang Y M ,  Duan X, Mueller  T, Huang Y . High-performance transition metal–doped Pt3Ni octahedra for oxygen reduction reaction. Science, 2015, 348(6240): 1230–1234
https://doi.org/10.1126/science.aaa8765
18 Zhang J, Yang  H, Fang J ,  Zou S. Synthesis and oxygen reduction activity of shape-controlled Pt3Ni nanopolyhedra. Nano Letters, 2010, 10(2): 638–644 
https://doi.org/10.1021/nl903717z
19 Wu Y, Cai  S, Wang D ,  He W, Li  Y. Syntheses of water-soluble octahedral, truncated octahedral, and cubic Pt–Ni nanocrystals and their structure–activity study in model hydrogenation reactions. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(21): 8975–8981
https://doi.org/ 10.1021/ja302606d
20 Carpenter M K ,  Moylan T E ,  Kukreja R S ,  Atwan M H ,  Tessema M M . Solvothermal synthesis of platinum alloy nanoparticles for oxygen reduction electrocatalysis. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(20): 8535–8542
https://doi.org/10.1021/ja300756y
21 Yoon J, Park  J, Sa Y J ,  Yang Y, Baik  H, Joo S H ,  Lee K. Synthesis of bare Pt3Ni nanorods from PtNi@Ni core–shell nanorods by acid etching: one-step surfactant removal and phase conversion for optimal electrochemical performance toward oxygen reduction reaction. CrystEngComm, 2016, 18(32): 6002–6007 
https://doi.org/10.1039/C6CE00830E
22 Kariuki N N, Khudhayer  W J, Karabacak  T, Myers D J . GLAD Pt–Ni alloy nanorods for oxygen reduction reaction. ACS Catalysis, 2013, 3(12): 3123–3132 
https://doi.org/10.1021/cs400759u
23 Bu L, Ding  J, Guo S ,  Zhang X ,  Su D, Zhu  X, Yao J ,  Guo J, Lu  G, Huang X . A general method for multimetallic platinum alloy nanowires as highly active and stable oxygen reduction catalysts. Advanced Materials, 2015, 27(44): 7204–7212 
https://doi.org/10.1002/adma.201502725
24 Chen T W, Kang  J X, Zhang  D F, Guo  L. Ultralong PtNi alloy nanowires enabled by the coordination effect with superior ORR durability. RSC Advances, 2016, 6(75): 71501–71506 
https://doi.org/10.1039/C6RA14192G
25 Yang Y, Jin  H, Kim H Y ,  Yoon J, Park  J, Baik H ,  Joo S H ,  Lee K. Ternary dendritic nanowires as highly active and stable multifunctional electrocatalysts. Nanoscale, 2016, 8(33): 15167–15172 
https://doi.org/10.1039/C6NR04305D
26 Dubau L, Asset  T, Chattot R L ,  Bonnaud C L ,  Vanpeene V ,  Nelayah J ,  Maillard F . Tuning the performance and the stability of porous hollow PtNi/C nanostructures for the oxygen reduction reaction. ACS Catalysis, 2015, 5(9): 5333–5341
https://doi.org/ 10.1021/acscatal.5b01248
27 Rudi S, Gan  L, Cui C ,  Gliech M ,  Strasser P . Electrochemical dealloying of bimetallic ORR nanoparticle catalysts at constant electrode potentials. Journal of the Electrochemical Society, 2015, 162(4): F403–F409
https://doi.org/ 10.1149/2.0621504jes
28 Chung H T, Won  J H, Zelenay  P. Active and stable carbon nanotube/nanoparticle composite electrocatalyst for oxygen reduction. Nature Communications, 2013, 4: 1922–1927 
https://doi.org/10.1038/ncomms2944
29 Gan L, Cui  C, Rudi S ,  Strasser P . Core–shell and nanoporous particle architectures and their effect on the activity and stability of Pt ORR electrocatalysts. Topics in Catalysis, 2014, 57(1–4): 236–244
https://doi.org/ 10.1007/s11244-013-0178-z
33 Hughes B K, Luther  J M, Beard  M C. The subtle chemistry of colloidal, quantum-confined semiconductor nanostructures. ACS Nano, 2012, 6(6): 4573–4579
https://doi.org/10.1021/nn302286w
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed