새장

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 24600(2016) 이 기사 인용

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나노입자의 구조를 정밀하게 조정하고 나노입자의 성분을 충분히 활용하는 것은 주어진 반응에 대한 촉매 성능을 향상시키는 데 효과적입니다. 우리는 여기에서 산소 환원 반응을 위한 Pt의 촉매 특성과 메탄올 내성을 향상시키기 위해 Pd 쉘이 의도적으로 선택되는 케이지 벨 구조의 Pt-Pd 나노 입자의 설계를 보여줍니다. 이 전략은 코어-쉘 Pt@Ag 나노입자의 합성으로 시작하고, 이어서 Ag 쉘과 Pd2+ 이온 사이의 갈바니 대체 반응을 통해 Pt 코어와 이중 쉘로 구성된 코어-쉘-쉘 Pt@Ag@Ag-Pd 나노입자를 형성합니다. 내부는 Ag로, 외부는 Ag-Pd 합금으로 구성됩니다. 그런 다음 코어-쉘-쉘 템플릿을 포화 NaCl 용액으로 교반하여 이중 쉘에서 Ag 구성 요소를 제거하고 케이지 벨 구조를 갖는 바이메탈 Pt-Pd 나노 입자를 형성합니다. 이는 다음으로 둘러싸인 이동 가능한 Pt 코어로 정의됩니다. Pd 껍질의 추가 촉매 작용으로 인해 Pt 종자에 비해 산소 환원에 대한 향상된 촉매 활성을 나타내는 다공성 Pd 껍질. 또한 다공성 Pd 쉘에서 메탄올과 산소 분자의 확산 거동이 다르기 때문에 Pt-Pd 케이지 벨 나노 구조는 산소 환원을 촉매하는 데 탁월한 메탄올 내성 특성을 나타냅니다.

ORR을 위한 Pt 기반 전기촉매의 선택성을 높이는 것은 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 주요 문제 중 하나인 양극에서 음극으로의 메탄올 크로스오버를 극복하는 효과적인 방법이며, 이는 연료전지의 상당한 감소를 가져옵니다. 음극에서 혼합 전위를 생성하여 효율성을 높입니다1,2,3. 우리는 이전 연구에서 백금(Pt) 촉매의 우수한 ORR 선택성이 케이지 벨 구조(CBS) 구조4,5,6 또는 일부 보고서에서 소위 노른자 껍질 구조를 통해 실현될 수 있다는 개념을 입증했습니다7 ,8은 다공성 쉘로 둘러싸인 이동식 코어를 나타냅니다. CBS 나노입자에서 촉매 활성 금속인 Pt는 메탄올 산화에 비활성인 루테늄(Ru), 오스뮴(Os) 또는 이리듐(Ir)과 같은 다공성 금속 껍질로 보호된 코어 영역에 배치되었습니다. 금속 쉘은 메탄올 분자가 CBS 입자 내부로 확산되는 것을 방지하여 메탄올 산화 반응(MOR)을 효과적으로 억제할 수 있지만 원래 설계는 비용 효율적이지 않습니다. 금속 쉘(Ru, Os 또는 Ir)은 Pt 전기촉매의 추가 비용을 발생시키지만 산소 환원에도 비활성이므로 ORR에 기여하지 않습니다.

따라서 이 연구에서 우리는 ORR 활성 Pt 코어와 MOR에 대해서는 불활성이지만 ORR에 대해서는 활성인 의도적으로 선택된 금속 쉘을 갖춘 CBS 나노입자를 생산하기 위한 보다 경제적인 경로를 찾는 것을 목표로 하며 팔라듐(Pd)은 다음의 후보 중 하나입니다. 쉘 구성 요소. 최근 중공 구조의 Pd 나노입자 합성 과정에서 우리는 은(Ag) 입자와 Pd2+ 이온 사이의 갈바니 치환 반응으로 인해 Ag 코어와 Ag-Pd 합금 쉘이 있는 코어-쉘 나노구조가 형성된다는 사실을 발견했습니다. (Ag@Ag-Pd)9,10,11,12 그리고 이 발견은 이 연구에서 개발된 전략의 기초를 마련합니다. 간단히 말해서, Pt 코어와 Ag 쉘이 있는 코어-쉘 Pt@Ag 나노입자는 먼저 올레일아민에 사전 합성된 Pt 시드 입자가 있는 상태에서 Ag+ 전구체를 환원하여 제조됩니다. 그런 다음 Ag 쉘과 Pd2+ 이온 사이의 갈바닉 대체 반응이 수행되어 Pt 코어와 내부에 Ag, 외부에 Ag-Pd 합금으로 구성된 이중 쉘을 갖는 코어-쉘-쉘 Pt@Ag@Ag-Pd 나노 입자가 형성됩니다. 지역별로. 이어서, 코어-쉘-쉘 Pt@Ag@Ag-Pd 템플릿을 NaCl 용액으로 교반하여 내부 및 외부 쉘에서 Ag 성분을 제거하여 다음과 같이 정의되는 케이지 벨 구조를 갖는 최종 Pt-Pd 나노입자를 형성합니다. 다공성 Pd 쉘로 둘러싸인 이동식 Pt 코어. 나중에 보여주겠지만, CBS Pt-Pd 나노입자는 시작 Pt 종자 입자와 비교하여 고농도의 메탄올 존재 하에서 ORR에 대한 우수한 활성, 내구성 및 선택성을 나타냅니다. 또한, 이 연구의 개념은 주어진 화학 반응에 대해 향상된 활성 및 원하는 선택성을 갖는 다른 CBS 나노입자를 생성하도록 확장될 수 있습니다.