Pt-Ni nanourchins as electrocatalysts for oxygen reduction reaction

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).

Keywords

Pt-Ni alloys / nanourchins / oxygen reduction reaction / shape control / fuel cells

References

[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

[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 

[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

[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

[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 

[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

[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

[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 

[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

[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 PtM_n (Ni, Co) electrocatalysts. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(1): 757–765 

[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

[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

[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

[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 

[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/mg_Pt for the oxygen reduction reaction. Nano Letters, 2013, 13(7): 3420–3425

[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

[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 

[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

[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

[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 

[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 

[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 

[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 

[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 

[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

[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

[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 

[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

[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 

[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

[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 

[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

Acknowledgements

This work was supported by the Research Grant Council (26206115), Innovation and Technology Fund (ITS/323/14) of the Hong Kong Special Administrative Region; Guangdong Special Fund for Science and Technology Development (Hong Kong Technology Cooperation Funding Scheme (201604030012, 201704030065); and a startup fund from the Hong Kong University of Science and Technology.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg