Blog

Sep 08, 2023

Einfache Synthese von PEG

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13249 (2023) Diesen Artikel zitieren 1545 Zugriffe auf Metrikdetails Die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) hat als alternativer Kandidat ein hervorragendes Wachstum gezeigt

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13249 (2023) Diesen Artikel zitieren

1545 Zugriffe

Details zu den Metriken

Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) haben als alternativer Kandidat für Energiequellen als Ersatz für fossile Brennstoffe ein hervorragendes Wachstum gezeigt. Die Entwicklung kostengünstiger und äußerst langlebiger Katalysatoren mit einer einfachen Synthesemethode ist jedoch immer noch eine Herausforderung. In diesem Projekt wird eine einfache Strategie zur Herstellung eines hydrophilen Fe-Pt-Nanopartikelkatalysators über einen Polyethylenglykol-Glycerin-Weg verwendet, um die Vorteile nanostrukturierter Oberflächen zu nutzen. Die synthetisierten Elektrokatalysatoren werden mittels XRD, XPS, TEM, EDS und FTIR charakterisiert, um ihre Struktur, Morphologie, Zusammensetzung und Oberflächenfunktionalisierung zu bestätigen. Die Leistung der Katalysatoren bei der Methanoloxidationsreaktion (MOR) wurde mittels Cyclovoltammetrie und Chronoamperometrie sowohl in sauren als auch alkalischen Medien untersucht. Der bimetallische Fe-Pt-Katalysator weist im sauren Medium eine bessere Stromdichte von 36,36 mA cm−2 auf als im alkalischen Medium (12,52 mA cm−2). Das hohe If/Ib-Verhältnis von 1,9 im alkalischen Medium bedeutet jedoch eine bessere Oberflächenreinigungs-/Regenerationsfähigkeit des Katalysators. Darüber hinaus besaß der Katalysator im alkalischen Elektrolyten eine überlegene Zyklenstabilität von ~ 80 %, was 1,6-mal höher ist als im sauren Elektrolyten. Die bessere Stabilität und Gifttoleranzkapazität des Katalysators in alkalischen Medien wird den vom Elektrolyten bereitgestellten OH−-Ionen zugeschrieben, die mit den Metallspezies interagieren, um M-(OH)x zu bilden und reversibel OH− freizusetzen und die Metalloberfläche für weitere Oxidationsreaktionen zu regenerieren . Der durch Fe und Pt bereitgestellte Synergismus führt jedoch zu einer besseren Aktivität im sauren Elektrolyten, da Pt ein günstiger Katalysator für die Dehydrierung von Methanol in saurem Medium ist. Diese Studie wird für die Entwicklung anodischer Elektrokatalysatoren für MOR nützlich sein.

In den letzten Jahrzehnten haben sich Brennstoffzellen (BZ) aufgrund der Erschöpfung fossiler Brennstoffe und der zunehmenden Umweltverschmutzung zu einer alternativen Quelle grüner Energie entwickelt. Unter den verschiedenen FCs auf Alkoholbasis wurde DMFC aufgrund seiner Eigenschaften wie hoher Energiedichte (6,1 kWh kg−1), geringer Schadstoffemission, niedriger Betriebstemperatur, besserer Kraftstoffhandhabung und -verarbeitung usw. umfassend untersucht1,2 ,3. Es findet breite Anwendung in den Bereichen Elektronik, tragbare Geräte, Automobile und Transportwesen4,5.

Elektrokatalysatoren sind der Hauptbestandteil von Brennstoffzellen und können auch ein Hindernis bei den Bemühungen sein, die Brennstoffzellentechnologie kommerziell rentabler zu machen. Reines Metall ist bei Raumtemperatur kein starker Katalysator für den Betrieb von Alkohol-FCs, da es leicht durch Adsorption von Kohlenmonoxid (CO)-Zwischenprodukten vergiftet wird. Unter den Metallkatalysatoren gilt Pt aufgrund seiner hohen Aktivität beim Aufbrechen der in Alkoholmolekülen vorhandenen O-H- und C-H-Bindungen als der produktivste Katalysator. Eine langsame Kinetik, hohe Kosten und geringe Mengen an Pt behindern jedoch seine kommerzielle Anwendung6,7. Außerdem besteht die Gefahr einer Selbsthemmung oder Vergiftung des Katalysators. Das CO-Zwischenprodukt wird stark adsorbiert und linear an Pt gebunden, was zur Selbstvergiftung des Pt-Elektrokatalysators führt. Daher kann keine weitere Adsorption von Methanol an vergiftetem Pt stattfinden und die Methanoloxidation sinkt auf ein Minimum8,9. Um diesen Vergiftungseffekt zu reduzieren, ist daher die Legierung von Pt mit zweiten oxophilen Metallen wie Fe, Ru, Rh, Mo, Sn, Co usw. erforderlich7,10,11,12,13. Der durch dieses legierte Material bereitgestellte bifunktionale Effekt trägt zur einfachen Adsorption von Hydroxylgruppen (OH−) bei einem negativeren Potential bei und katalysiert die Elektrooxidation von adsorbiertem CO, wodurch die Vergiftungswirkung auf den Katalysator verringert wird. Außerdem führt die Zugabe eines zweiten Metalls zu einer elektronischen Austauschwechselwirkung mit Pt und sorgt dafür, dass die Pt-Oberfläche weniger von Zwischenspezies beeinflusst wird14,15.

Bimetalllegierungen auf Pt-Basis wie PtX (X: Mo, Sn, Co, Ni, Ru, Cu, Fe usw.) zeigen eine bessere katalytische Aktivität bei der Methanoloxidation10,11,12,13. Allerdings haben sie bei der praktischen DMFC-Anwendung ihre Grenzen, da die Haltbarkeit aufgrund der Auflösung des Übergangsmetalls im realen Betriebszustand gering ist und die chemische Stabilität schlecht ist16,17. Unter allen Bimetallkatalysatoren ist FePt ein alternativer Kandidat für die Methanoloxidationsreaktion (MOR), da Fe billiger als Pt, reichlich vorhanden, ein guter elektrischer Leiter und in der Natur weniger toxisch ist18,19. Sie bilden hauptsächlich drei Strukturen; Einer davon ist der ungeordnete flächenzentrierte Würfel, auch bekannt als A1-Phase, in dem Fe- und Pt-Atome zufällig in \(\left( {0,0,0} \right), \left( {1/2,1/2, 0} \right), \left( {1/2,0, 1/2} \right)\) \({\text{and}} \left( {0, 1/2,1/2} \right )\) kristallographische Stellen20,21,22. Die anderen beiden haben eine geordnete intermetallische Struktur wie FePt3/Fe3Pt und FePt. In der geordneten FePt-Struktur, d. h. der flächenzentrierten tetragonalen (fct) L10-Phase, bilden sich abwechselnde Schichten aus Fe- und Pt-Atomen, in denen Pt Plätze bei \(\left( {0,0,0} \right) {\text{and einnimmt }} \left( {1/2,1/2,0} \right)\), und Fe besetzt (1/2, 0, 1/2) \({\text{und}} \left( {0 , 1/2,1/2} \right)\) 23,24. In der A1-Struktur ist Fe für die Elektrooxidationsreaktion schwer zu stabilisieren, wohingegen in der L10-Phase die hohe einachsige magnetokristalline Anisotropie eine bessere chemische Stabilität aufweist25,26,27.

Die an FePt durchgeführten Studien haben eine hohe katalytische Aktivität gegenüber anderen Bimetallkatalysatoren gezeigt18,28. Außerdem sind FePt-Nanopartikel (NPs) bekanntermaßen ein ausgezeichneter CO-Toleranzkatalysator, vergleichbar mit PtRu15. Lee et al. untersuchten die Leistung binärer und ternärer Katalysatoren wie FePt, RuPt, MoPt, PtRuFe und PtRuMo und fanden heraus, dass FePt mit einem Fe-Gehalt (28–60 %) eine höhere katalytische Aktivität aufweist als reines Pt29. Allerdings zeigte eine Fe-Beladung von mehr als 60 % einen schnellen Rückgang der katalytischen Aktivität und war niedriger als bei reinem Pt30. Liang et al. demonstrierten auch eine vergleichende Analyse von Pt mit bimetallischen (FePt, NiPt, CoPt) Katalysator-NPs, die auf dem Weg der umgekehrten Mikroemulsion synthetisiert wurden und die Aktivität in der Reihenfolge FePt > CoPt > NiPt > Pt31 zeigten. Das Ergebnis wurde von Wang et al. gestützt. Durch ihre experimentelle Analyse erhielten sie eine Massenaktivität von FePt (1610 mA/mg Pt), die 12-mal höher ist als die eines kommerziellen Pt/C-Katalysators32. Daher kann die Zugabe von Zweitmetallen zum herkömmlichen Katalysator (Pt) eine effiziente Strategie zur Verbesserung der Methanoloxidation sein. Darüber hinaus ist die Kontrolle der Größe, Struktur und Dispergierbarkeit von NP im Katalysatorherstellungsprozess von entscheidender Bedeutung, da diese Parameter stark mit der Anzahl der aktiven Stellen auf der Oberfläche von Katalysatoren zusammenhängen. In letzter Zeit ist es vielen Forschungsgruppen gelungen, diese Eigenschaften von Katalysatoren zu verbessern. Beispielsweise zeigten eine Legierung aus Pd, z. B. PdM (M = Ni, Co, Cu) und ein Verbundwerkstoff mit reduziertem Graphenoxidkatalysator (rGO) eine hohe elektrochemische Aktivität und Stabilität33. Das Übergangsmetall verbesserte die Dispergierbarkeit von PdM-NPs auf der rGO-Oberfläche, indem es die Form, Größe und elektronische Struktur der Pd-NPs34 veränderte.

In Anbetracht der hervorragenden Leistung von in Pt eingebautem Fe im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen aus der Literatur schlug diese Forschungsarbeit einen einfachen Syntheseweg durch die Verwendung von mit Pt legiertem Fe in Gegenwart von PEG-Glycerin vor. Polyethylenglykol (PEG) fungiert als Schutzmittel und stabilisiert die NPs, um eine Agglomeration von FePt-NPs während des Syntheseprozesses zu verhindern. Es hilft bei der Reduzierung der Partikelgröße und erzeugt dadurch gleichmäßige NPs mit hoher Dispergierbarkeit. Die elektrokatalytischen Eigenschaften des Fe-Pt-Katalysators wurden für MOR sowohl in saurer als auch in alkalischer Umgebung detailliert untersucht.

Die Beugungspeaks im XRD-Muster der in Abb. 1a gezeigten synthetisierten FePt-NPs werden bei 2θ-Werten von 40,12°, 46,92°, 68,32° und 82,70° beobachtet, die (111), (200), (220) entsprechen. und (311) Ebenen des FePt-Kristalls. Diese Peaks sind charakteristisch für fcc FePt und stimmen mit der JCPDS-Karte Nr. überein. 29-0717. Das Fehlen eines zusätzlichen Beugungspeaks weist darauf hin, dass die Probe makellos und frei von Verunreinigungen ist. Die Röntgenbeugungspeaks verbreitern sich, wenn der Kristallit kleiner als etwa ein Mikrometer wird oder wenn Gitterfehler in großer Zahl vorhanden sind35. Da die Nanopartikel sehr klein sind und etwa 2,2 nm groß sind (laut TEM-Aufnahme) und die Fe-Pt-Legierung eine perfekte feste Lösung darstellt, wird erwartet, dass die Verbreiterung des XRD-Peaks hauptsächlich auf die geringere Kristallitgröße zurückzuführen ist. Die durchschnittliche Kristallitgröße (t) wurde mithilfe der Debye-Scherer-Gleichung wie folgt geschätzt:

wobei λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung (0,154 nm) ist, β die Halbwertsbreite (FWHM) darstellt und K die Scherrer-Konstante ist. Die berechnete durchschnittliche Kristallitgröße betrug etwa 2,13 nm. Der Gitterparameter des Katalysators wurde mithilfe der folgenden Gleichung geschätzt:

wobei θmax der Spitzenposition der höchsten Intensität entspricht. Der Gitterparameter betrug 0,388 nm, was der (111)-Ebene von fcc-FePt-NPs entspricht. Die berechnete Kristallitgröße aus XRD-Peaks ist in Tabelle S1 aufgeführt.

(a) XRD-Muster, (b) TGA/DSC-Diagramm und (c) FTIR-Spektrum von FePt-NPs. Das FTIR-Muster von PEG-600 ist zum Vergleich in Abb. (c) enthalten.

Das TGA- und DSC-Profil des Nanomaterials ist aufgezeichnet und in Abb. 1b dargestellt. Unterhalb von 120 °C wurde ein Gewichtsverlust von fast 4 % beobachtet, der auf die Entfernung von physikalisch adsorbiertem Wasser oder Feuchtigkeitsgehalt zurückzuführen ist. Der Verlust über 120 °C, gefolgt von einem markanten Peak bei 129 °C im DSC, weist auf eine exotherme Reaktion aufgrund des thermischen Abbaus des Polymers hin. Das Polymer (PEG) brannte bis 300 °C fast aus und es wurde ein Gewichtsverlust von etwa 17 % beobachtet. Diese Ergebnisse unterstützen die Oberflächenfunktionalisierung des vorbereiteten Katalysators mit PEG-Molekülen.

Darüber hinaus wurde eine FTIR-Analyse durchgeführt, um die Oberflächenfunktionalisierung des Polyols auf der Katalysatoroberfläche zu untersuchen. Abbildung 1c zeigt die FTIR-Spektren von nackten PEG-600- und PEG-beschichteten FePt-NPs. Eine starke und breite Bande um 3240 cm−1 ist auf die Streckschwingung der O-H-Gruppe zurückzuführen. Dublettbanden nahe 2887 und 2954 cm−1 entsprechen dem symmetrischen und asymmetrischen C-H-Streckschwingungsmodus von PEG. Peaks bei 1390 und 1525 cm−1 stehen im Zusammenhang mit der Biegeschwingung der O-H- bzw. C-H-Gruppe. Das Vorhandensein dieser Peaks bestätigt die Funktionalisierung von FePt-NPs mit PEG-Molekülen. Außerdem erscheinen die charakteristischen Peaks des PEG-Polymers bei etwa 939 und 1093 cm−1. Diese Peaks entsprechen der C-C- und C-O-C-Streckung, die in PEG-beschichteten NPs unterdrückt sind. Die Unterdrückung deutet auf eine Dipol-Kation-Bindung zwischen der positiven Ladung von Oberflächenmetallionen und der Ethergruppe von PEG-Molekülen hin36,37,38,39. Die Schwingungsbanden nahe 593 und 662 cm−1 beziehen sich auf die Koordination von Sauerstoff mit Metall40. Die Oberflächenbeschichtung von Glykolen kann als Verknüpfung von Glykolen mit einer Änderung des Oxidationszustands von Pt zu Pt2+ oder Fe zu Fe2+ an der Oberfläche erklärt werden, wie in Schema S1 dargestellt.

FePt-NPs weisen eine kugelförmige Morphologie mit einer durchschnittlichen Partikelgröße (d) von ~ 2,2 nm und einer Standardabweichung (σ) von 0,2 nm auf, wie in Abb. 2a dargestellt. Das entsprechende Größenverteilungshistogramm ist in Abb. 2b dargestellt, was darauf hinweist, dass die Partikel stark monodispers sind. Der berechnete interplanare Abstand von 0,236 nm aus dem HRTEM-Bild (Abb. 2c) ist charakteristisch für die (111)-Ebene und wird durch die XRD-Daten bestätigt. Das in Abb. 2d gezeigte SAED-Muster stimmt auch mit XRD-Daten überein, die die Bildung von fcc-FePt-NPs bestätigen. Das EDX-Profil zeigt das Vorhandensein von Fe und Pt (Abb. 3a), was die Bildung einer FePt-Legierung unterstützt. Das Linienscanprofil zeigt deutlich die Homogenität von Fe und Pt in der gesamten Probe (Abb. 3b – d). Der Atomprozentsatz von Pt ist höher als der von Fe, was darauf hindeutet, dass eine platinreiche Legierung gebildet wird (Abb. 3a).

(a) TEM-Bild, (b) Partikelgrößenverteilung, (c) HRTEM-Bild und (d) SAED-Muster von FePt-NPs.

(a) EDAX-Spektrum, (b) Zeilenscan-Bild und (c,d) Elementvariation von Fe und Pt im Zeilenscan.

Die XPS-Analyse wurde außerdem durchgeführt, um die chemische Zusammensetzung und den Oxidationszustand der Fe- und Pt-Atome im FePt-Elektrokatalysator zu untersuchen. Die Messungen wurden mit einem Fokus auf die Peaks durchgeführt, die hauptsächlich mit Fe 2p und Pt 4f assoziiert sind, und die Kernspektren wurden mit der Bindungsenergie (BE) von C 1s (284,6 eV) kalibriert. Die hochauflösenden Spektren von Fe 2p und Pt 4f sind in Abb. 4a,b dargestellt. Der Großteil des Fe befand sich im oxidierten Zustand (Fe+2 oder Fe+3) und Pt lag hauptsächlich im metallischen Zustand vor. Die Kernspektren von Fe 2p zeigten ein Dublett bei BE von 710,9 eV und 725,1 eV, die dem niedrigeren Energieband (Fe 2p3/2) bzw. dem höheren Energieband (Fe 2p1/2) von Fe2+ zugeordnet werden. Die Peaks bei 713,7 eV und 733,2 eV stehen im Zusammenhang mit Fe3+. Darüber hinaus ist im Fall von Fe 2p auch ein Satellitenpeak bei 718,2 eV vorhanden. Die Kernspektren von Pt 4f zeigten zwei deutliche Peaks bei BE von 71,06 eV und 74,4 eV, die Pt 4f7/2 bzw. Pt 4f5/2 von reinem Pt0 zugeordnet werden. Darüber hinaus werden auch zwei kleine Peaks bei 71,9 eV und 76,9 eV beobachtet, die Pt 4f7/2 bzw. Pt 4f5/2 von Pt2+ entsprechen. Interessanterweise zeigen die XPS-Spektren von Pt eine leichte negative Verschiebung im Vergleich zu monometallischem Pt (71,2 bzw. 74,5 eV) und die Fe-Spektren zeigten eine leicht positive Verschiebung im Vergleich zu monometallischem Fe (710,6 bzw. 724,6 eV für Fe 2p3/2 und Fe 2p1). /2)41,42. Die Verschiebung der Position von Fe zu einem höheren BE-Wert und von Pt zu einem niedrigeren BE-Wert weist auf die elektronische Austauschwechselwirkung zwischen Fe und Pt43 hin. Diese Änderung der elektronischen Struktur verschiebt das D-Band-Zentrum und führt dadurch zu Änderungen der Adsorptionsenergien von Reaktionszwischenprodukten, die die katalytische Aktivität des Materials beeinflussen können.

Hochauflösende XPS-Spektren (a) Fe 2p und (b) Pt 4f des Fe-Pt-Nanokatalysators.

Die Benetzbarkeit ist ein entscheidender Faktor für das Erreichen einer hohen Effizienz und einer besseren Leistung von DMFC bei niedrigen Temperaturen, da die hydrophile Anode mit einem geringeren Methanolübertragungswiderstand verbunden ist und den Methanoltransport erleichtert44,45. Auch die Adsorption und Desorption von Reaktanten an der Katalysatoroberfläche unter Wasser kann sich aufgrund der Variation der Benetzbarkeit ändern46. Die Messungen der Hydrophilie und Benetzbarkeit wurden mithilfe eines Kontaktwinkelmesstests durchgeführt. Aus Abb. S1 ist ersichtlich, dass der statische Kontaktwinkel für die mit PEG versetzten FePt-NPs von ~ 64 ° auf 30 ° abnimmt. Ein höherer Kontaktwinkelwert weist auf eine schlechte Benetzbarkeit hin, die zu einem verringerten Zugang von Methanolionen in die Poren führen kann. Eine Verringerung der Zugänglichkeit von Elektrolytionen wirkt sich erheblich auf die Oberflächennutzung aus, was wiederum die Leistung verringert. Daher wird hier die Oberflächenmodifikation mit PEG genutzt, um die Hydrophilie der FePt-NPs zu erhöhen. In Abb. S2 sind auch Fotos der Wasserdispersion von PEG-beschichteten und blanken FePt-NPs enthalten.

Der Bildungsmechanismus von FePt kann wie folgt erklärt werden: Es ist ersichtlich, dass sich Pt(acac)2 und Fe(acac)3 zwar thermisch unter 200 °C zersetzen, der Pt-Vorläufer jedoch sehr schnell zerfällt, während der spätere (Eisen-Vorläufer) ein Vielfaches benötigt Bei relativ hohen Temperaturen erfolgt eine vollständige Zersetzung21. In der vorliegenden Studie wird Glycerin ((1,2,3-Propantriol) als Glykolverbindung als Lösungsmittel, Reagens und Reduktionsmittel verwendet. Es wird nicht nur als Lösungsmittel, sondern auch als Co-Lösungsmittel mit Wasser, Ethanol usw. verwendet jedes andere polare Lösungsmittel für die Synthese von Nanomaterialien47,48. Die Wasserstoffbindung, Polarität und Viskosität spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Größe der NPs. Andererseits wird aufgrund der Van-der-Waals-Anziehung zwischen den Partikeln die Dispersion von NPs werden im Glycerinmedium instabil und neigen zur Aggregation und Koagulation. Um dies zu minimieren, wird während der Synthesephase ein langkettiges Polymer PEG600 als Schutzmittel verwendet. Wenn PEG an der Ladungspartikeloberfläche befestigt wird, werden die MNPs sowohl sterisch als auch elektrostatisch stabilisiert Die Stabilisierung verhindert dadurch die Agglomeration der gebildeten NPs. Darüber hinaus hilft sie bei der Reduktion des Metallvorläufers durch den Hydroxylierungsprozess gemäß der folgenden Reaktion:

wobei M das Metall (Fe und Pt) bezeichnet und x der Anzahl der Mole der an die Metalle gebundenen Acetylacetonatgruppe entspricht. Schließlich diffundieren Fe und Pt unter einer inerten Atmosphäre zu einer Legierung. Es wird auch berichtet, dass die Bildung von Pt-Keimen im frühen Stadium der Reaktion die katalytische Zersetzung des Fe-Vorläufers unterstützt49. Daraus lässt sich schließen, dass Pt(acac)2 in Polyollösungsmittel unter Wärmeeinwirkung leicht reduziert wird, während Fe(acac)3 einem komplexen Reduktionsprozess folgt. Daher wurde bei dieser Methode Pt-reiches FePt gebildet, obwohl ein Molverhältnis von Fe zu Pt-Vorläufer von 2:1 verwendet wurde, was auch durch das EDX-Ergebnis gestützt wird.

Zunächst wurde die elektrokatalytische Aktivität des Katalysators mit oder ohne Methanol bei Raumtemperatur für beide Medien untersucht. Die Stromachse wird durch die geometrische Oberfläche der verwendeten Elektrode normalisiert, dh 0,07 cm2. Die Zugabe von Methanol führt zu einem Paar Redoxpeaks, wie in Abb. 5a, b beobachtet. Für eine vergleichende Analyse haben wir reines Pt und FePt ohne PEG sowie mit PEG beschichtetes FePt berücksichtigt (Abb. 5c, d). Aus der CV-Kurve geht hervor, dass der mit PEG 600 beschichtete Katalysator im Vergleich zu den beiden anderen einen höheren Oxidationspeak aufweist folgt der Reihenfolge FePtbeschichtet mit PEG > FePtohne PEG > blankes Pt. Dies kann dadurch erklärt werden, dass PEG als Schutzmittel fungiert und die NPs stabilisiert, um eine Agglomeration während des Syntheseprozesses zu verhindern. Es hilft bei der Reduzierung der Partikelgröße und erzeugt dadurch gleichmäßige NPs. Aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche der winzigen NPs wird bei Einwirkung eines Reaktanten (in diesem Fall Methanol) die Reaktion ausgelöst und der Oxidationsprozess beschleunigt. Darüber hinaus erhöht die Verwendung von sowohl PEG als auch glycerinlöslichen Alkoholen die Hydrophilie des FePt-Katalysators, was durch die Messung des Kontaktwinkels bestätigt wird, was die Leistung des Katalysators verbessert. Darüber hinaus wird das Onset-Potential als wichtiger Parameter betrachtet, von dem die Aktivität des Katalysators abhängt. Ein niedriges Onset-Potential bei hoher Stromdichte ist eine charakteristische Eigenschaft eines guten Katalysators. Wie aus Abb. 5 hervorgeht, erfolgt die Oxidation von Methanol bei einem Startpotential von 0,33 V bzw. –0,46 V in sauren und alkalischen Medien, was bedeutet, dass FePt-NPs ein besserer Katalysator sind als reines Pt, das ein Startpotential von ~ 0,45 V aufweist und − 0,48 V (aus Abb. 5c, d) im jeweiligen Medium. Die bessere katalytische Aktivität der Legierung im Vergleich zum reinen Metall ist hauptsächlich auf den bifunktionalen Effekt und die elektronische Austauschwechselwirkung zwischen Fe und Pt zurückzuführen, wie durch die XPS-Daten bestätigt. Hier wird in einem anodischen Durchlauf ein signifikanter Oxidationspeak bei ~ 0,671 V für saure und ~ − 0,193 V bei 50 mV s−1 für alkalische Medien in Gegenwart von Methanol beobachtet und der entsprechende Peakstrom wird durch If dargestellt. Beim Rückwärtsdurchlauf gibt es im sauren und alkalischen Elektrolyten einen Peak bei ~ 0,49 V und − 0,24 V, der durch die Entfernung intermediärer kohlenstoffhaltiger Spezies entsteht. Der entsprechende Spitzenstrom wird als Rückwärtsstrom bezeichnet und mit Ib bezeichnet. Aus Abb. 5 geht hervor, dass eine saure Umgebung für den FePt-Katalysator im Hinblick auf einen höheren anodischen Oxidationsstrom überlegen ist. Die höhere Stromreaktion bedeutet, dass große Bereiche des Katalysators für den Elektrolyten zugänglich sind. Abb. S3 zeigt, dass der PEG-Glycerin-vermittelte bimetallische FePt-Katalysator im Vergleich zu bloßen Pt- und FePt-NPs sowohl in sauren als auch in alkalischen Medien eine hervorragende Leistung zeigte.

CV-Diagramme funktionalisierter FePt-NPs in (a) 0,5 M H2SO4 und (b) 0,5 M KOH mit und ohne Methanol. Die Vergleichsdiagramme von funktionalisiertem FePt, reinem FePt und Pt werden in (c) saurem und (d) alkalischem Medium bei einer Abtastrate von 50 mV s−1 gezeigt. Der Strom wird durch die verwendete geometrische Oberfläche normiert, die 0,07 cm2 beträgt.

Der elektrochemische Reaktionsmechanismus auf der Oberfläche des Katalysators kann wie folgt erklärt werden: Beim Vorwärtsdurchlauf führt die Chemisorption, gefolgt von der Zersetzung von Methanol, zu Nebenprodukten wie CO und Zwischenspezies, die eine starke Affinität zu Pt24 aufweisen. Dies verkürzt die Lebensdauer des Katalysators und führt zu einer geringeren Effizienz. Während des Rückwärtsscans werden die „vergiftenden“ Spezies in Gegenwart von adsorbiertem OH− oxidiert, was zur Regeneration aktiver Zentren führt. In bimetallischen NPs wie FePt fungiert Fe als Promotor für die Dissoziation des Wassers in Hydroxylionen, was die Umwandlung von CO in CO2 über der Katalysatoroberfläche unterstützt. Dies steigert die Leistung und verleiht dem Platinkatalysator Stabilität.

Der Einfluss der Scanrate auf das voltammetrische Verhalten von FePt in sauren und alkalischen Medien wurde mittels zyklischer Voltammetrie untersucht (Abb. 6a, b). Bei unterschiedlichen Abtastraten nehmen sowohl der Vorwärts- als auch der Rückwärtsstrom linear zu, was auf ein Verhalten hindeutet, das mit der oberflächenbegrenzten Voltammetrie übereinstimmt. Um das elektrochemische Verhalten von FePt weiter zu untersuchen, wurde der Einfluss der Scanraten auf das Spitzenpotential analysiert. Mit zunehmender Scanrate verschob sich das anodische Spitzenpotential in Richtung positives Potential und es wurde eine lineare Beziehung im Bereich von 10–500 mV s−1 erhalten (Abb. 6c, d), was impliziert, dass der Oxidationsprozess durch die Diffusion von Methanol in beide gesteuert wird media49. Darüber hinaus zeigten die Diagramme von log If gegenüber log ν auch eine lineare Beziehung bei unterschiedlichen Abtastraten mit einer Steigung von 0,76 (R2 = 0,96, Einschub in Abb. 6c) und 0,51 (R2 = 0,994, Einschub in Abb. 6d) für saures bzw. alkalisches Medium. Theoretisch liegt die Steigung zwischen 0,5 und 1,0 und wird als Wert für den diffusions- und adsorptionsgesteuerten Mechanismus angesehen50,51. Hier zeigen die erhaltenen Steigungswerte den Beitrag sowohl des Diffusions- als auch des Adsorptionsphänomens zum Oxidationsmechanismus. Darüber hinaus lässt das Vorhandensein nur eines Oxidationspeaks sowohl im anodischen als auch im kathodischen Durchlauf darauf schließen, dass die Methanoloxidation auf der FePt-Oberfläche ein irreversibler Prozess ist. Dies kann anhand der linearen Beziehung zwischen If und ln ν validiert werden, wie in Abb. S4 dargestellt.

CV-Kurven bei verschiedenen Scanraten in (a) saurem Medium, (b) basischem Medium und (c,d) anodischem Spitzenstrom im Vergleich zur Quadratwurzel der Scanraten in den jeweiligen Medien (log If vs. log ν wurden in den Einschüben von ( CD)).

Abbildung S5a,b zeigt die Variation von If und Ib bezüglich der Scanrate in saurem bzw. alkalischem Medium. Aus der Grafik geht klar hervor, dass mit zunehmender Scan-Rate sowohl If als auch Ib zunehmen, die Rate von Ib jedoch nicht wesentlich zunimmt. Da durch die Entfernung kohlenstoffhaltiger Spezies ein Rückstrom entsteht, ist ein geringerer Rückstrom eine gute Übereinstimmung mit der Gifttoleranzkapazität des Katalysators. In Abb. S5b haben wir beobachtet, dass If im alkalischen Medium linear mit der Scanrate zunimmt, der Strom jedoch im Vergleich zum sauren Medium niedrig ist. Dies bedeutet, dass der Katalysator in alkalischem Medium weniger aktiv ist. Das Toleranzverhältnis wurde aus dem Verhältnis von If/Ib berechnet. Von zwei zeigte das alkalische Medium ein etwas höheres Toleranzverhältnis von 1,91 als das saure Medium, das bei 1,16 liegt. Ein hoher If/Ib-Wert im alkalischen Medium weist auf eine bessere Entfernung kohlenstoffhaltiger Spezies während der MOR aufgrund der zusätzlichen Adsorption von OH−-Ionen durch KOH aus der Elektrolytlösung hin. Das geringere Toleranzverhältnis im sauren Medium kann mit der Adsorption von Bisulfat-Ionen an den aktiven Zentren des Nanokatalysators zusammenhängen, die eine weitere Oxidation von Zwischenprodukten behindert. Interessanterweise beträgt der Vorwärtsspitzenstrom, der der Elektrooxidation von Methanol entspricht, 12,52 mA cm-2 für alkalische Elektrolyte, was etwa dreimal niedriger ist als der für saure Elektrolyte (36,35 mA cm-2 bei 50 mV s-1), wodurch er alkalisch wird Medium, das für die Methanoloxidation mit FePt-Elektrokatalysator ungünstiger ist. Darüber hinaus wurde auch festgestellt, dass die Massenaktivität im sauren Medium höher ist, nämlich 80,09 mA mg−1, als im alkalischen (28,28 mA mg−1). Diese Ergebnisse belegen, dass Fe in Kombination mit Pt in einer Umgebung mit niedrigem pH-Wert eine hohe Verträglichkeit bei der Oxidation von Methanol aufweist. Die Zusammensetzung der Elektrode und die aus CV erhaltene potentiodynamische Analyse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Chronoamperometrie wurde eingesetzt, um zusätzliche Informationen über die Elektrooxidation von Methanol zu sammeln. Abbildung 7a,b zeigt die it-Kurven des Katalysators für 100 s in beiden Medien in Gegenwart und Abwesenheit von 0,5 M CH3OH. Die katalytische Geschwindigkeitskonstante (kcat) und der Diffusionskoeffizient von Methanol wurden anhand des Chronoamperometrieprofils geschätzt. Die Steigung im linearen Teil von Inet gegenüber t−1/2 (Einschübe in Abb. 7a, b) wird verwendet, um den Diffusionskoeffizienten (D) in Verbindung mit der Cottrell-Gleichung abzuschätzen:

wobei F, n, A, t, c die Faraday-Konstante, die Anzahl der Elektronenübertragungen während der Methanoloxidation, die Fläche der Arbeitselektrode (0,07 cm2), die Zeit bzw. die Methanolkonzentration sind. Der mittlere Diffusionskoeffizient von Methanol beträgt \(4,26 \times 10^{ - 6} { }\) cm2 s−1 für saures Medium und \(3,58 \times 10^{ - 7} { }\) cm2 s −1 für alkalisches Medium. Das Diffusionsvermögen von Methanol im sauren Medium ist besser als im basischen. Eine höhere Diffusionsfähigkeit impliziert einen höheren Oxidationsstrom und zeigt vergleichbare Ergebnisse der CV-Analyse in Abb. 6. Die Geschwindigkeitskonstante wurde mithilfe dieser Gleichung berechnet:

wobei Icat und IL den Strom in Gegenwart bzw. Abwesenheit von Methanol darstellen. Icat/IL gegen t1/2 ist im Einschub (ii) von Abb. 7a,b aufgetragen. Der Wert von kcat wird zu \(1,13 \times 10^{3} \;{\text{cm}}^{3} \;{\text{mol}}\;{\text{s}}^ berechnet { - 1}\) für saure und \(3,49 \times 10^{2} \;{\text{cm}}^{3} \;{\text{mol}}\;{\text{s}} ^{ - 1}\) für alkalische Medien. Eine höhere katalytische Geschwindigkeitskonstante im sauren Medium führt zu einer schnelleren Umwandlung von Methanolmolekülen auf der Katalysatoroberfläche in Produkt pro aktivem Zentrum und Zeiteinheit, wodurch sich FePt für die Entwicklung von Elektrokatalysatoren in DMFC auf PEM-Basis eignet. Die erhaltenen Daten sind für beide Medien in Tabelle 2 dargestellt.

Chronoamperogramme von FePt-NPs in (a) 0,5 M H2SO4, (b) 0,5 M KOH mit und ohne Methanol. Einschübe: (i) Diagramm von Inet Vs t−1/2 und (ii) Icat/IL Vs t−1/2 für die jeweiligen Medien, (c) Stabilitäts- und Wiederverwendbarkeitsanalyse des Katalysators für 300 Zyklen. Spalte A: der anfängliche Zyklus, Spalte B: der 300. Zyklus und Spalte C: der 301. Zyklus in frisch zubereitetem Elektrolyten beider Medien bei einer Abtastrate von 50 mV s−1 und (d) Nyquist-Diagramm von FePt-NPs in 0,5 M H2SO4 / 0,5 M CH3OH und 0,5 M KOH / 0,5 M CH3OH und sein Ersatzschaltbild.

Darüber hinaus ist die langfristige Zyklenstabilität und Wiederverwendbarkeit des Katalysators für die praktische Anwendung von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurde ein Stabilitätstest des FePt-Katalysators unter Verwendung der zyklischen Voltammetrie in 0,5 M H2SO4 + 0,5 M CH3OH- und 0,5 M KOH + 0,5 M CH3OH-Lösungen für aufeinanderfolgende 300 Zyklen durchgeführt. Die entsprechende Darstellung ist in Abb. 7c dargestellt. Aus dem Diagramm lässt sich erkennen, dass der Spitzenanodenstrom, der durch Vorwärtsdurchlauf der CV-Kurve erhalten wird, mit zunehmender Zyklenzahl allmählich abnimmt. Im Vergleich zum Anfangszyklus ist die Aktivität des Katalysators im 300. Zyklus um 49,4 % bei sauren und um 79,5 % bei alkalischen Elektrolyten reduziert. Diese Verringerung kann auf die Ansammlung toxischer Spezies (kohlenstoffhaltige Zwischenprodukte) auf der Katalysatoroberfläche oder auf einen übermäßigen Methanolverbrauch während aufeinanderfolgender Scans zurückzuführen sein. Um die Auswirkung des Methanolverbrauchs zu untersuchen, wurde der Katalysator in frisch zubereitetem Elektrolyten in beiden Medien erneut verwendet. Die Spitzenstromdichte für neue Elektrolyte nach dem 300. Zyklus betrug 4,78 mA cm-2 (nahezu 52,25 % des Anfangszyklus) und 3,47 mA cm-2 (nahezu 39,72 % des Anfangszyklus) für saure bzw. alkalische Elektrolyte. Dies weist darauf hin, dass der Methanolverbrauch möglicherweise der Hauptgrund für die abnehmende Stromdichte in den laufenden 300 Zyklen ist. Nach einem kontinuierlichen 300-Zyklen-Test wurden die Struktur, Morphologie und chemische Stabilität der Katalysatoren mittels TEM und XRD untersucht. Die TEM-Bildgebung zeigt keine signifikanten morphologischen Veränderungen auf der Oberfläche des Katalysators nach einem Stabilitätstest mit 300 Zyklen (Abb. S6b). Der Katalysator behielt auch nach 300 Zyklen in alkalischem Medium seine ursprüngliche Kugelstruktur mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von ~ 2,2 nm, was mit der eines frischen Katalysators vergleichbar war (Abb. S6a). Die chemische Stabilität des mit PEG beschichteten FePt-Katalysators wurde durch XRD an Proben untersucht, die 300 aufeinanderfolgenden Zyklen mit sauren (0,5 M H2SO4-Lösung, pH = 2,4) und alkalischen (0,5 M KOH-Lösung, pH = 13,7) Elektrolyten getestet wurden. XRD-Studien (Abb. S6c) ergaben keine signifikanten Veränderungen in den Beugungsmustern. Die Probe behielt ihre ursprüngliche Struktur in KOH-Lösung (pH = 13,7), die Kristallinität nahm jedoch in der sauren Lösung geringfügig ab. Die obigen Ergebnisse zeigen die gute chemische Stabilität des FePt-Materials gegenüber der Methanoloxidation. Darüber hinaus zeigte das Material im Hinblick auf die elektrochemische Stabilität nach 300 Potentialzyklen in einem alkalischen Medium nur einen Zerfall von 20,5 % als PANI-NRGO/CoPd, was zu einem Zerfall von etwa 21 % nach 155 Potentialzyklen in 0,5 M KOH- und 1 M MeOH-Lösung führte52. Die hervorragende Langzeitstabilität dieses Katalysators erwies sich daher als nützliche Alternative für die DMFC-Anwendung.

Zur Untersuchung der Ladungsübertragungskinetik und des elektrochemischen Verhaltens des synthetisierten Nanokatalysators wurde eine EIS-Analyse durchgeführt. Das Nyquist-Diagramm und die äquivalente angepasste Schaltung sind in Abb. 7d dargestellt. R1 bezeichnet den Serienwiderstand, der aufgrund (i) des Elektrolytwiderstands, (ii) des Kontaktwiderstands zwischen Elektrode und Elektrolytgrenzfläche und (iii) des intrinsischen elektrischen Widerstands des Materials entstehen kann. Der R1-Wert ist im sauren Elektrolyten (H2SO4) niedriger als im alkalischen Gegenstück (KOH). Der niedrigere Wert bedeutet eine bessere Wechselwirkung an der Schnittstelle zwischen Elektrode und Elektrolyt, was die Leistung im sauren Medium verbessert. R2 ist der Ladungsübertragungswiderstand, der die chemische Kinetik des entsprechenden Systems angibt. Ein niedrigerer R2-Wert weist auf ein schnelleres Ladungstransportverhalten im sauren Medium hin. Eine schnellere Reaktionskinetik ist für die bessere katalytische Aktivität wesentlich und dies beweist, dass das FePt-System in der H2SO4-Umgebung im Vergleich zur KOH-Umgebung eine bessere Leistung erbringt. Ein weiterer wichtiger Parameter, der von EIS erhalten wird, ist die als C2 bezeichnete Doppelschichtkapazität. Die Doppelschichtkapazität hängt von der Ionenansammlung an der Elektroden-/Elektrolytoberfläche ab. Der niedrigere Wert von C2 bedeutet den Mangel an akkumulierten Ionen auf der FePt/KOH-Oberfläche, was mit dem Fehlen eines Halbkreises im Nyquist-Diagramm zusammenhängen kann. Die analysierten Daten sind in Tabelle 3 zusammengefasst.

Die Bedeutung der Methanolkonzentration für die elektrokatalytische Aktivität von FePt NP wurde in saurer Umgebung durch anschließende Zugabe von Methanol untersucht. Die If- und Ib-Peaks nehmen mit steigender Methanolkonzentration bis zu 0,9 M zu, wie in Abb. 8 gezeigt. Danach steigt der Peakstrom nicht mehr signifikant an; dieser Effekt ist vermutlich auf die Sättigung der aktiven Stellen der Katalysatoroberfläche zurückzuführen. Im Diagramm wurde auch eine Verbreiterung des Peaks beobachtet, was möglicherweise auf die Ansammlung nicht oxidierter Methanolmoleküle auf der Katalysatoroberfläche zurückzuführen ist.

CV-Antwort für verschiedene Methanolkonzentrationen bei einer Scanrate von 50 mV s−1 in saurem Medium. Einschub (i) LSV und Einschub (ii) anodischer Strom im Vergleich zur Methanolkonzentration.

In dieser Arbeit haben wir eine einfache Methode zur Synthese eines monodispersen und eines hochdispersen fcc-FePt-Katalysators mithilfe der PEG-Glycerin-Route demonstriert. FePt besitzt ein effizientes elektrokatalytisches Verhalten bei der Methanoloxidation in saurem Medium. Im sauren im Vergleich zum alkalischen wurde ein dreifacher Anstieg der Stromdichte beobachtet. Eine verbesserte Stromdichte bei niedrigem pH-Wert wird auf die bessere Diffusionsfähigkeit und die hohe katalytische Geschwindigkeitskonstante \(\left( {1,13 \times 10^{3} \;{\text{cm}}^{3} \;{\text{ mol}}\;{\text{s}}^{ - 1} } \right)\) des Katalysators, wodurch es für saure Medien günstiger wird. Darüber hinaus optimiert das zweite Metall (Fe) die Kristallstruktur und die elektronischen Eigenschaften von Pt, das meist als Pt-M-Legierung vorliegt. Die synergistische Wirkung von Fe und Pt hilft bei der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Zwischenspezies, die auf der Katalysatoroberfläche adsorbiert sind, und hilft bei der Regeneration aktiverer Stellen für nachfolgende Reaktionen. Daher bestätigt diese Arbeit, dass die Synthese des FePt-Katalysators in Gegenwart von PEG als Schutzmittel als geeignete Technik zur Herstellung eines einheitlichen hydrophilen Katalysators für die Methanoloxidationsreaktion angesehen werden kann.

Platin(II)-acetylacetonat (Pt(acac)2, 97 %), Eisen(III)-acetylacetonat (Fe(acac)3, 97 %), Schwefelsäure (H2SO4, 98 %) und Nafionlösung (5 Gew.-% perfluoriert) wurden von Sigma Aldrich gekauft. Polyethylenglykol (PEG, 98 %), Kaliumhydroxid (KOH, 85 %), Methanol (CH3OH, 99 %), Ethanol (C2H5OH, 99 %) und Glycerin (C3H8O3, 99 %) wurden von SD Fine Chemical Limited bezogen. Für die Synthese und Tests wurde entionisiertes Wasser verwendet. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Verarbeitung verwendet.

FePt-NPs wurden unter Verwendung von Glycerin als Lösungsmittel und Glykol (PEG-600) als Reduktionsmittel sowie Tensid hergestellt. Zunächst wurden 50 ml Glycerin unter Rühren 30 Minuten lang auf eine Temperatur von 100 °C erhitzt. Dann wurden 0,02 Mol Fe(acac)3 und 0,01 Mol Pt(acac)2 in dem obigen Lösungsmittel gelöst. Anschließend wurden der Lösung 10 ml PEG-600 tropfenweise zugesetzt. Der gesamte Vorgang wurde in Stickstoffatmosphäre durchgeführt. Die Lösung wurde dann 3,5 Stunden lang bei 220 °C unter Rückfluss erhitzt. Später wurde die Probe durch Zentrifugation gesammelt und mehrmals mit einer Mischung aus entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen. Abschließend wurde der Niederschlag zur Charakterisierung und Prüfung im Ofen getrocknet. Eine ähnliche Herstellungsmethode wurde zum Vergleich zur Synthese von Pt- und reinen FePt-NPs (ohne PEG 600) angewendet.

Die morphologische Analyse des vorbereiteten Materials erfolgte mittels TEM (Transmissionselektronenmikroskop, JEOL JEM-2100F), ausgestattet mit HRTEM und SAED (Selected Area Electron Diffraction). Die Kristallinität, Phase und Reinheit von NPs wurden mittels XRD (D8 Advanced Bruker) mit CuKα-Strahlung (λ = 1,54 Å) bei 40 mA und 30 kV untersucht. Zur Berechnung der Kristallitgröße (t) wurde die Debye-Scherrer-Beziehung verwendet. Das Vorhandensein einer funktionellen Gruppe wurde durch ein in einer KBr-Scheibe aufgezeichnetes Fourier-Transformations-Infrarotspektrum (IR-Affinität-1) untersucht. Die thermische Analyse (SDT Q60, TA Instruments, USA) der synthetisierten Probe wurde in einer Stickstoffatmosphäre durch Erhitzen der Probe von Raumtemperatur auf 700 °C (10 °C/min) durchgeführt. Die Elementzusammensetzung der Probe wurde durch EDX überprüft, das mit einem SEM-Gerät (Zeiss, EVO 18) ausgestattet war. Der elementare Oxidationszustand des FePt-Katalysators wurde durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) analysiert (Modell: PHI5000VERSAPROBE III, Hersteller: ULVAC-PHI, Inc., Japan). Die elektrokatalytische Aktivität des vorbereiteten Katalysators gegenüber Methanol wurde mit der elektrochemischen Workstation (CHI 660c) durchgeführt.

Die elektrochemische Aktivität des Katalysators wurde in einer elektrochemischen Workstation mit drei Elektroden (CHI 660c, USA) durchgeführt. Als Arbeits-, Referenz- und Gegenelektrode wurden FePt-beschichtete Glaskohlenstoffelektrode (GCE), Ag/AgCl- und Pt-Draht verwendet. Die Arbeitselektrode wurde durch Auftragen von 12 µl NP-Suspension (1,5 mg FePt-NPs dispergiert in 500 µl Ethanol) hergestellt. Anschließend wurden 5 µl Nafionlösung auf die vorbereitete Elektrode getropft, die als Bindemittel fungiert. Die Verwendung von Nafion dient hauptsächlich dazu, das Austreten des Katalysators während der elektrochemischen Prüfung zu verhindern. Die katalytische Aktivität für die Methanoloxidation wurde in zwei verschiedenen Medien gemessen, nämlich 0,5 M H2SO4 (sauer) und 0,5 M KOH (alkalisch) in Gegenwart von 0,5 M CH3OH bei Raumtemperatur. Die Studie zur zyklischen Voltammetrie (CV) wurde mit einer Abtastrate im Bereich von 10 bis 500 mVs−1 in einem Potentialfenster von 0,1 bis 1,1 V bzw. −0,5 bis 0,2 V für saures bzw. alkalisches Medium durchgeführt. Für beide Medien wurde eine Chronoamperometriekurve (CA) aufgezeichnet, um die Stabilität des Katalysators während der MOR zu überprüfen. Der elektrochemische Impedanzspektroskopietest (EIS) wurde bei einer Anregungsspannung von 5 mV im Frequenzbereich von 0,1 bis 105 Hz durchgeführt. Schließlich wurde der Einfluss der Methanolkonzentration auf die katalytische Aktivität von FePt-NPs für saures Medium untersucht.

Alle im Rahmen der vorliegenden Arbeit generierten/analysierten Daten sind in diesem Manuskript enthalten.

Yaqoob, L., Noor, T., Iqbal, N., Nasir, H. & Mumtaz, A. Elektrokatalytische Leistung von NiNH2BDC MOF-basierten Verbundwerkstoffen mit rGO für die Methanoloxidationsreaktion. Wissenschaft. Rep. 11, 1–18 (2021).

Artikel Google Scholar

Ramli, ZAC, Shaari, N. & Saharuddin, TST Fortschritte und große Hindernisse bei der Entwicklung von Nanokatalysatoren in Direktmethanol-Brennstoffzellen: Ein Überblick. Int. J. Hydrogen Energy 47, 22114–22146 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, Z. & Nakashima, N. Eine einfache Herstellung eines sehr hoch Methanol toleranten Kathodenelektrokatalysators für Direktmethanol-Brennstoffzellen auf Basis von polymerbeschichtetem Kohlenstoff-Nanoröhrchen/Platin. Wissenschaft. Rep. 5, 1–9 (2015).

Google Scholar

Goor, M., Menkin, S. & Peled, E. Hochleistungs-Direktmethanol-Brennstoffzelle für Mobilität und tragbare Anwendungen. Int. J. Hydrogen Energy 44, 3138–3143 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Kamarudin, SK, Achmad, F. & Daud, WRW Überblick über die Anwendung von Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) für tragbare elektronische Geräte. Int. J. Hydrogen Energy 34, 6902–6916 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Antoniassi, RM, Silva, JCM, Lopes, T., Oliveira Neto, A. & Spinacé, EV Kohlenstoffgestützte Pt-Nanopartikel mit (100)-Vorzugsorientierung mit verbesserten elektrokatalytischen Eigenschaften für die Kohlenmonoxid-, Methanol- und Ethanoloxidation in saurem Medium. Int. J. Hydrogen Energy 42, 28786–28796 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Rao, CNR, Ramakrishna Matte, HSS, Voggu, R. & Govindaraj, A. Jüngste Fortschritte bei der Synthese anorganischer Nanopartikel. Dalt. Trans. 41, 5089–5120 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, YX, Miki, A., Ye, S., Sakai, H. & Osawa, M. Formiat, ein aktives Zwischenprodukt für die direkte Oxidation von Methanol auf einer Pt-Elektrode. Marmelade. Chem. Soc. 125, 3680–3681 (2003).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lizcano-Valbuena, WH, Paganin, VA & Gonzalez, ER Methanol-Elektrooxidation an Gasdiffusionselektroden, hergestellt mit Pt-Ru/C-Katalysatoren. Elektrochim. Acta 47, 3715–3722 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Bing, Y., Liu, H., Zhang, L., Ghosh, D. & Zhang, J. Nanostrukturierte Pt-Legierungs-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffreduktionsreaktion von PEM-Brennstoffzellen. Chem. Soc. Rev. 39, 2184–2202 (2010).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Huang, H., Hu, X., Zhang, J., Su, N. & Cheng, J. Einfache Herstellung von Platin-Kobalt-Legierungs-Nanopartikeln mit erhöhter elektrokatalytischer Aktivität für eine Methanol-Oxidationsreaktion. Wissenschaft. Rep. 7, 1–9 (2017).

ADS Google Scholar

Cui, R. et al. Einfache Synthese einer nanoporösen Pt-Y-Legierung mit verbesserter elektrokatalytischer Aktivität und Haltbarkeit. Wissenschaft. Rep. 7, 1–10 (2017).

Google Scholar

Chen, W. et al. Strukturell geordnete intermetallische PtSn-Nanopartikel auf ATO für eine effiziente Methanoloxidationsreaktion. Nanoscale 11, 19895–19902 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Engstfeld, AK, Klein, J. & Brimaud, S. Bifunktionelle versus defektvermittelte Effekte bei der elektrokatalytischen Methanoloxidation. ChemPhysChem 22, 828–832 (2021).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rodriguez, JR et al. Synthese von Pt- und Pt-Fe-Nanopartikeln auf MWCNTs, die als Elektrokatalysatoren in der Methanoloxidationsreaktion verwendet werden. J. Energy Chem. 23, 483–490 (2014).

Artikel Google Scholar

Kim, HT, Yoo, JS, Joh, H., Kim, H. & Moon, SH Eigenschaften von Elektrokatalysatoren auf Pt-Basis, die selektiv abgeschiedenes Sn als Anode für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen enthalten. Int. J. Hydrog. Energie 36, 1606–1612 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, L. et al. Nach dem Einphasenprotokoll hergestellte Au@Pt-Nanopartikel und ihre elektrokatalytischen Eigenschaften für die Methanoloxidation. Kolloide surfen. A: Physikochem. Ing. Asp. 295, 21–26 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Antolini, E. Eisenhaltige Katalysatoren auf Platinbasis als Kathoden- und Anodenmaterialien für saure Niedertemperatur-Brennstoffzellen: Ein Überblick. RSC Adv. 6, 3307–3325 (2016).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Wu, J., Zhu, J., Zhou, M., Hou, Y. & Gao, S. Konkave FePt-Nanowürfel mit erhöhter Methanoloxidationsaktivität. CrystEngComm 14, 7572–7575 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Sun, S., Murray, CB, Weller, D., Folks, L. & Moser, A. Monodisperse FePt-Nanopartikel und ferromagnetische FePt-Nanokristall-Übergitter. Science 287, 1989–1992 (2000).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Sahu, NK, Prakash, A. & Bahadur, D. Rolle verschiedener Platinvorläufer bei der Bildung und dem Reaktionsmechanismus von FePt-Nanopartikeln und ihrer elektrokatalytischen Leistung bei der Methanoloxidation. Dalt. Trans. 43, 4892–4900 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Sahu, NK & Bahadur, D. Einfluss übermäßiger Fe-Anreicherung auf der Oberfläche von FePt-Nanopartikeln: Strukturelle und magnetische Eigenschaften. J. Appl. Physik. 113, 134303 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Sun, S. Jüngste Fortschritte in der chemischen Synthese, Selbstorganisation und Anwendungen von FePt-Nanopartikeln. Adv. Mater. 18, 393–403 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

He, J. et al. Direkte chemische Synthese gut dispergierter L10-FePt-Nanopartikel mit einstellbarer Größe und Koerzitivfeldstärke. Grüne Chem. 18, 417–422 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, M. et al. Synthese und Selbstorganisation von FePt-Nanostäben in fcc-Phase. Marmelade. Chem. Soc. 129, 6348–6349 (2007).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hong, Y. et al. Einfache Synthese vollständig geordneter L10-FePt-Nanopartikel mit kontrollierter Pt-Schalendicke für die Elektrokatalyse. Nano Res. 10, 2866–2880 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Meng, Z. et al. Direkte Synthese von L10-FePt-Nanopartikeln aus einem einzigen Bimetallkomplex und ihre elektrokatalytischen Anwendungen bei Sauerstoffreduktions- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen. Nano Res. 12, 2954–2959 (2019).

Artikel Google Scholar

Bandarenka, AS, Ventosa, E., Maljusch, A., Masa, J. & Schuhmann, W. Techniken und Methoden in der modernen Elektrokatalyse: Bewertung der Aktivität, Selektivität und Stabilität katalytischer Materialien. Analyst 139, 1274–1291 (2014).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Ji, Z. et al. Auf reduziertem Graphenoxid basierende FePt-Legierungsnanopartikel mit hoher elektrokatalytischer Leistung für die Methanoloxidation. Neue J. Chem. 36, 1774–1780 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Lee, KR, Jeon, MK & Woo, SI Optimierung der Zusammensetzung von PtRuM/C-Katalysatoren (M = Fe und Mo) für die Methanol-Elektrooxidation mittels kombinatorischer Methode. Appl. Katal. B Umgebung. 91, 428–433 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Liang, S. et al. Monodisperse FePt-Nanopartikel als hochaktive Elektrokatalysatoren für die Methanoloxidation. RSC Adv. 5, 48569–48573 (2015).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Wang, J., Wang, Z., Li, S., Wang, R. & Song, Y. Oberflächen- und Grenzflächentechnik von FePt/C-Nanokatalysatoren für die elektrokatalytische Methanoloxidation: Verbesserte Aktivität und Haltbarkeit. Nanoscale 9, 4066–4075 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lv, J. et al. Einfache Synthese bimetallisch legierter Pt-Pd-Nanowürfel auf reduziertem Graphenoxid mit verbesserten elektrokatalytischen Eigenschaften. Elektrochim. Acta 143, 36–43 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Li, S.-S. et al. Einfache Synthese von PdPt@Pt-Nanoringen auf reduziertem Graphenoxid mit verbesserten elektrokatalytischen Eigenschaften. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 6, 10549–10555 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ungár, T. Mikrostrukturelle Parameter aus der Peakverbreiterung der Röntgenbeugung. Scripta Mater. 51, 777–781 (2004).

Artikel Google Scholar

Ji, J. et al. Eintopfsynthese von PdM/RGO-Katalysatoren (M=Co, Ni oder Cu) unter Anwesenheit von PEG für die Elektrooxidation von Methanol. J. Nanopartikel Res. 20, 1–12 (2018).

Artikel CAS ADS Google Scholar

García-Jimeno, S. & Estelrich, J. Ferrofluid auf Basis von mit Polyethylenglykol beschichteten Eisenoxid-Nanopartikeln: Charakterisierung und Eigenschaften. Kolloide surfen. Eine Physikochemie. Ing. Asp. 420, 74–81 (2013).

Artikel Google Scholar

Rani, B., Punniyakoti, S. & Sahu, NK Polyol behaupteten die hydrothermale Synthese von SnO2-Nanopartikeln für die schnelle Adsorption und den photokatalytischen Abbau des kationischen Farbstoffs Methylenblau. Neue J. Chem. 42, 943–954 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Beck, W., Souza, CGS, Silva, TL, Jafelicci, M. & Varanda, LC Bildungsmechanismus über einen Heterokoagulationsansatz von FePt-Nanopartikeln unter Verwendung des modifizierten Polyolverfahrens. J. Phys. Chem. C 115, 10475–10482 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, T. et al. Thermisches Verhalten von Superthermiten auf Nitrozellulosebasis: Auswirkungen von Nano-Fe2O3 mit drei Morphologien. RSC Adv. 7, 23583–23590 (2017).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Şen, F. & Gökaǧaç, G. Platin-Nanopartikel unterschiedlicher Größe auf Kohlenstoff: Eine XPS-Studie zu diesen Methanoloxidationskatalysatoren. J. Phys. Chem. C. 111, 5715–5720. https://doi.org/10.1021/jp068381b (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Yamashita, T. & Hayes, P. Analyse von XPS-Spektren von Fe 2+- und Fe 3+-Ionen in Oxidmaterialien. Appl. Surfen. Wissenschaft. 254, 2441–2449. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2007.09.063 (2008).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Chen, G. et al. Grenzflächeneffekte in Eisen-Nickel-Hydroxid-Platin-Nanopartikeln verstärken die katalytische Oxidation. Wissenschaft 344, 495–499 (2014).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Schmitz, A., Tranitz, M., Eccarius, S., Weil, A. & Hebling, C. Einfluss der Kathodenöffnungsgröße und der Benetzungseigenschaften von Diffusionsschichten auf die Leistung luftatmender PEMFCs. J. Power Sources 154, 437–447 (2006).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Wang, L. & Xiao, FS Die Bedeutung der Benetzbarkeit des Katalysators. ChemCatChem 6, 3048–3052 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Mazloomi, SK & Sulaiman, N. Einflussfaktoren auf den elektrischen Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse. Erneuern. Aufrechterhalten. Energy Rev. 16, 4257–4263 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Sinhamahapatra, A., Bhattacharjya, D. & Yu, JS Grüne Herstellung dreidimensionaler blütenförmiger Zinkglycerolat- und ZnO-Mikrostrukturen für die p-Nitrophenol-Erkennung. RSC Adv. 5, 37721–37728 (2015).

Artikel CAS ADS Google Scholar

Escudero, A., Moretti, E. & Ocana, M. Synthese und Lumineszenz einheitlicher Europium-dotierter Bismutfluorid- und Bismutoxyfluoridpartikel mit unterschiedlichen Morphologien. CrystEngComm 16, 3274–3283 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Tasdemir, IH, Ece, A. & Kılıc, E. Experimentelle und theoretische Studie zum elektrochemischen Verhalten von Zofenopril und seiner voltammetrischen Bestimmung. Curr. Pharm. Anal. 8, 339–348 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Rani, B., Nayak, AK & Sahu, NK Elektrochemische Superkondensatoranwendung von CoFe2O4-Nanopartikeln, die über graphitischem Kohlenstoffnitrid dekoriert sind. Diam Relat Mater. 120, 1–9 (2021).

Artikel Google Scholar

Kamyabi, MA & Shafiee, MA Elektrokatalytische Oxidation von Dopamin, Ascorbinsäure und Harnsäure an Poly2,6diaminopyridin auf der Oberfläche von Kohlenstoffnanoröhren/GC-Elektroden. J. Braz. Chem. Soc. 23, 593–602 (2012).

CAS Google Scholar

Lashkenari, MS, Rezaei, S. & Fallah, J. Experimentelle und theoretische Studien zur Methanoloxidation in Gegenwart von Co-Pd @ Polyanilin/N-dotiertem reduziertem Graphenoxid-Elektrokatalysator. J. Appl. Elektrochem. 51, 1267–1278 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken dem Vellore Institute of Technology, Vellore, Indien, für die finanzielle Unterstützung.

Zentrum für Nanotechnologieforschung, Vellore Institute of Technology, Vellore, 632014, Indien

Sarmistha Baruah, Barkha Rani und Niroj Kumar Sahu

School of Electronics Engineering, Vellore Institute of Technology, Vellore, 632014, Indien

Barkha Rani

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

SB, BR und NKS planten, führten die experimentellen Arbeiten durch und analysierten die Ergebnisse. SB und BR verfassten den Haupttext des Manuskripts und bereiteten Abbildungen vor. Alle Autoren haben das Manuskript rezensiert.

Korrespondenz mit Niroj Kumar Sahu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Baruah, S., Rani, B. & Sahu, NK Einfache Synthese von mit PEG-Glycerin beschichteten bimetallischen FePt-Nanopartikeln als hocheffizienter Elektrokatalysator für die Methanoloxidation. Sci Rep 13, 13249 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38358-5

Zitat herunterladen

Eingegangen: 09. November 2022

Angenommen: 06. Juli 2023

Veröffentlicht: 15. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38358-5

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.