Изучение особенностей формирования наночастиц Pt(0) на поверхности пеноникеля в условиях ионного наслаивания и их электрокаталитических свойств в реакции выделения водорода при электролизе воды в щелочной среде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье изучены особенности формирования на поверхности никеля наночастиц Pt(0) в составе композитов с нанолистами Co(OH)2. Их синтез выполняли методом ионного наслаивания (ИН), и реагентами для него служили растворы Na2PtCl6, CoCl2 и NaBH4. При использовании растворов Na2PtCl6 и NaBH4 на поверхности никеля получали наночастицы Pt(0), а растворов CoCl2 и NaBH4 – нанолисты Co(OH)2. Структурно-химические исследования синтезированных образцов были выполнены методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), электронографии, рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), ИК-Фурье-спектроскопии диффузного отражения (ДО) и спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). Основное внимание в работе уделено особенностям формирования наночастиц Pt(0) на поверхности никеля на которую предварительно был нанесен слой Co(OH)2. Изучение электрокаталитических свойств таких образцов в реакции выделения водорода при электролизе воды в щелочной области показало, что наилучшими свойствами обладают наночастицы, синтезированные после 20–40 циклов ИН, причем те из них, которые были получены на подложках никеля с предварительно нанесенными на них слоями Co(OH)2. В свою очередь было установлено, что среди данных образцов наилучшие свойства проявляют те, которые содержат слои Co(OH)2, синтезированные в результате 5 циклов ИН. Один из лучших образцов этой серии был получен в результате 40 циклов ИН и характеризуется значением перенапряжения при токе 10 мА/см2 на уровне 29 мВ, значением наклона Тафеля 29.5 мВ/дек и высокой стабильностью данных значений при многократном циклировании потенциала. Отмечается, что у данного образца наночастицы Pt(0) имеют размеры 4–8 нм и располагаются на поверхности нанолистов на расстоянии примерно 5–10 нм друг от друга. Данные особенности способствуют образованию множества точек контакта наночастиц Pt(0) с поверхностью нанолистов Co(OH)2, и это определяет высокую электрокаталитическую активность и стабильность свойств таких структур.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. В. Канева

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета

Email: v.tolstoy@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Л. Б. Гулина

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета

Email: v.tolstoy@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. П. Толстой

Институт химии Санкт-Петербургского государственного университета

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.tolstoy@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Rong, H., Ji, S., Zhang, J., Wang, D., and Li, Y., Synthetic strategies of supported atomic clusters for heterogeneous catalysis, Nat. Commun., 2020, vol. 11, p. 5884. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19571-6
  2. Kuznetsov, V.V., Gamburg, Y.D., Krutskikh, V.M., et al., Hydrogen Evolution Reaction Electrocatalysts Based on Electrolytic and Chemical-Catalytic Alloys of Rhenium and Nickel, Russ. J. Electrochem., 2020, vol. 56, p. 821. https://doi.org/10.1134/S1023193520100079
  3. Ďurovič, M., Hnát, J., and Bouzek, K., Electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction in alkaline and neutral media. A comparative review, J. Power Sources, 2021, vol. 493, 229708. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229708
  4. Zhang, S.L., Lu, X.F., Wu, Z.-P., Luan, D., and Wen, X., Engineering Platinum–Cobalt Nano-alloys in Porous Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes for Highly Efficient Electrocatalytic Hydrogen Evolution, Angew. Chem. Int. Ed., 2021, vol. 60, p. 19068. https://doi.org/10.1002/anie.202106547
  5. Wu, H., Zuo, X., Wang, S.-P., Yin, J.-W., Zhang, Y.-N., and Chen, J., Theoretical and experimental design of Pt-Co(OH)2 electrocatalyst for efficient HER performance in alkaline solution, Prog. Nat. Sci.: Mater., 2019, vol. 29, p. 356. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2019.05.009
  6. Malik, B., Anantharaj, S., Karthick, K., Pattanayak, D.K., and Kundu, S., Magnetic CoPt nanoparticle-decorated ultrathin Co(OH)2 nanosheets: an efficient bi-functional water splitting catalyst, Catal. Sci. Technol., 2017, vol. 7, p. 2486. https://doi.org/10.1039/C7CY00309A
  7. Du, P., Wen, Y., Chiang, F.-K., Yao, A., Wang, J.-Q., Kang, J., Chen, L., Xie, G., Liu, X., and Qiu, H.-J., Corrosion Engineering To Synthesize Ultrasmall and Monodisperse Alloy Nanoparticles Stabilized in Ultrathin Cobalt (Oxy)hydroxide for Enhanced Electrocatalysis, ACS Appl. Mater. Interfaces., 2019, vol. 11, p. 14745. https://doi.org/10.1021/acsami.8b22268
  8. Xing, Z., Han, C., Wang, D., Li, Q., and Yang, X., Ultrafine Pt Nanoparticles Decorated Co(OH)2 Nanosheets Array with Enhanced Catalytic Activity towards Hydrogen Evolution, CS Catal., 2017, vol. 7, p. 7131. https://doi.org/10.1021/acscatal.7b01994
  9. Ye, K., Zhang, D., Zhang, H., Cheng, K., Wang, G., and Cao, D., Platinum-modified cobalt nanosheets supported on three-dimensional carbon sponge as a high-performance catalyst for hydrogen peroxide electroreduction, Electrochim. Acta, 2015, vol. 175, p. 270. http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2015.07.11
  10. Nellaiappan, S., Jhariya, N., Irusta, S., and Singhal, A., Platinum substituted Cobalt (II, III) Oxide: Interplay of tetrahedral Co (II) sites towards electrochemical oxygen evolution activity, Electrochim. Acta, 2021, vol. 365, p. 137234. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137234
  11. Kuşcu, C., Özdokur, K.V., Koçak, S., and Nil Ertaş, F., Development of cobalt oxide film modified electrode decorated with platinum nanoparticles as a biosensing platform for phenol, Intern. J. Environ Anal. Chem., 2019, vol. 100, p. 873. https://doi.org/10.1080/03067319.2019.1643462
  12. Gulina, L.B., Pchelkina, A.A., Nikolaev, K.G., Navolotskaya, D.V., Ermakov, S.S., and Tolstoy, V.P., A brief review on immobilization of gold nanoparticles on inorganic surfaces and Successive Ionic Layer Deposition, Rev. Adv. Mater. Sci., 2016, vol. 44, p. 46.
  13. Ermakov, S.S., Nikolaev, K.G., and Tolstoy, V.P., Novel electrochemical sensors with electrodes based on multilayers fabricated by layer-by-layer synthesis and their analytical potential, Russ. Chem. Rev., 2016, vol. 85, p. 880. https://doi.org/10.1070/RCR4605
  14. Wang, Z., Chen, D., Wang, F., et al., Preparation and Photoelectrochemical Performances of CuSCN Thin Films Influenced by Electrodeposition Potential, Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 401. https://doi.org/10.1134/S1023193519050148
  15. Kaneva, M.V., Gulina, L.B., and Tolstoy, V.P., Pt nanoparticles synthesized by successive ionic layers deposition method and their electrocatalytic properties in hydrogen evolution reaction during water splitting in the acidic medium, J. Alloys Compd., 2022, vol. 901, 163640. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.163640
  16. Tolstoy, V.P., Lobinsky, A.A., and Kaneva, M.V., Features of inorganic nanocrystals formation in conditions of successive ionic layers deposition in water solutions and the Co(II)Co(III) 2D layered double hydroxide synthesis, J. Mol. Liq., 2019, vol. 282, p. 32. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.02.067
  17. Tolstoy, V., Kaneva, M., Fedotova, N., and Levshakova, A., Low temperature synthesis of Сu0.3IrOx∙nH2O nanocrystals by successive ionic layer deposition and their electrocatalytic properties in oxygen evolution reaction during water splitting in acidic medium, Ceram. Intern., 2020, vol. 46, p. 20122. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.05.087
  18. Tolstoy, V.P., Kuklo, L.I., and Gulina, L.B., Ni(II) doped FeOOH 2D nanocrystals, synthesized by Successive Ionic Layer Deposition, and their electrocatalytic properties during oxygen evolution reaction upon water splitting in the alkaline medium, J. Alloys Compd., 2019, vol. 786, p. 198. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.01.324
  19. Hung, T.-F., Kuo, H.-C., Tsai, C.-W., Chen, H.M., Liu, R.-S., Weng, B.-J., and Lee, J.-F., An alternative cobalt oxide-supported platinum catalyst for efficient hydrolysis of sodium borohydride, J. Mater. Chem., 2011, vol. 21, 11754. https://doi.org/10.1039/C1JM11720C
  20. Weber, D. J., Dosche, C., and Oezaslan, M., Tuning of Pt–Co nanoparticle motifs for enhancing the HOR performance in alkaline media, J. Mater. Chem. A., 2021, vol. 9, 15415. https://doi.org/10.1039/D1TA02067F
  21. Manzhos, R.A., Kochergin, V.K., Krivenko, A.G., et al., Oxygen Reduction Reaction on Pt Nanowires Synthesized in Superfluid Helium, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 751. https://doi.org/10.1134/S1023193522090117
  22. Gao, Y. Q., Amorphous Co(OH)2 nanosheet electrocatalyst and the physical mechanism for its high activity and long-term cycle stability, J. Appl. Phys., 2016, vol. 119, 034902. https://doi.org/10.1063/1.4940207
  23. Kalasina, S., A new concept of charging supercapacitors based on a photovoltaic effect, Chem. Commun., 2017, vol. 53, p. 709. https://doi.org/10.1039/C6CC08131B
  24. Corbel, G., Topić, M., Gibaud, A., and Lang, C.I., Selective dry oxidation of the ordered Pt–11.1 at% V alloy surface evidenced by in situ temperature-controlled X-ray diffraction, J. Alloy Compd., 2011, vol. 509, p. 6532. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.03.079
  25. Vovk, E.I., Kalinkin, A.V., Smirnov, M.Yu., Klembovskii, I.O., and Bukhtiyarov, V.I., XPS study of stability and reactivity of oxidized Pt nanoparticles supported on TiO2, J. Phys. Chem., 2017, vol. 121, p. 17297. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b04569
  26. Biesinger, M.C., Payne, B.P., Grosvenor, A.P., Lau, L.W.M., Gerson, A.R., and Smart, R.St.C., Resolving surface chemical states in XPS analysis of first row transition metals, oxides and hydroxides: Cr, Mn, Fe, Co and Ni, Appl. Surf. Sci., 2011, vol. 257, p. 2717. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.10.051
  27. Skibina, L.M., Mauer, D.K., Volochaev, V.A., et al., Nanostructured Cobalt-Containing Carbon Supports for New Platinum Catalysts, Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 438. https://doi.org/10.1134/S1023193519050136

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематичное изображение последовательности обработок подложки в растворах реагентов и воде в течение 1 цикла ИН.

Скачать (92KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Электронные микрофотографии, полученные методом СЭМ с увеличением ×250 наночастиц Pt(0), синтезированных методом ИН на поверхности никеля в результате 20 (а) и 40 (б) циклов обработки.

Скачать (68KB)
Метаданные
4. Рис. 3. ИК-Фурье-спектр ДО (а) и спектр КР (б) нанослоя Co(OH)2, синтезированного на никеле в результате 20 циклов ИН.

Скачать (162KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Серии электронных микрофотографий, полученных методом СЭМ с увеличением ×100, ×250 и ×500 раз мультислоев на поверхности никеля, синтезированных методом ИН в результате 5 циклов обработки растворами СoCl2 и NaBH4 и последующих 5–40 циклов обработки с использованием растворов Na2PtCl6 и NaBH4. а) образец 5Co(OH)2-5Pt, б) 5Co(OH)2-20Pt, в) 5Co(OH)2-40Pt.

Скачать (677KB)
Метаданные
6. Рис. 5. ПЭM-электронные микрофотографии наночастиц, синтезированных методом ИН на поверхности никеля в результате 5 циклов обработки растворами СoCl2 и NaBH4 и 5–40 циклов обработки растворами Na2PtCl6 и NaBH4. а) образец 5Co(OH)2-5Pt, б) 5Co(OH)2-20Pt, в) 5Co(OH)2-40Pt, г) электронная дифрактограмма образца 5Co(OH)2-40Pt.

Скачать (706KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Энергодисперсионный рентгеновский спектр (а) и рентгенофотоэлектронные спектры 4f-электронов Pt(0) (б), 1s-электронов O (в) и 2p-электронов Co (г) образца, синтезированного методом ИН по программе 5Co(OH)2-40Pt.

Скачать (340KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Поляризационные кривые (а) и значения наклона Тафеля (б) в РВВ для электродов ПН с мультислоями nCo(OH)2-mPt, синтезированными методом ИН. 1 – образец 5Co(OH)2-5Pt, 2 – 5Co(OH)2-10Pt, 3 – 5Co(OH)2-20Pt, 4 – 5Co(OH)2-40Pt, 5 – 5Co(OH)2-60Pt.

Скачать (229KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Поляризационные кривые (а) и значения наклонов Тафеля (б) в РВВ для электрода ПН с наночастицами Pt(0), синтезированным в результате 40 циклов ИН (1) и электрода 5Co(OH)2-40Pt (2). Изменения поляризационных кривых в РВВ данных электродов после 500-кратного циклирования потенциала показаны на рисунке (в).

Скачать (190KB)
Метаданные

Примечание

Публикуется по материалам IX Всероссийской конференции с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”, Черноголовка, 2022.


© Российская академия наук, 2024