Ni@Pt core-shell nanoparticles as an improved electrocatalyst for ethanol electrooxidation in alkaline media

Document Type: Research Paper

Authors

Azarbaijan Shahid Madani University

Abstract

Core-shell nanostructures are emerging as more important materials than alloy nanostructures and have much more interesting potential applications in various fields. In this work, we demonstrated the fast and facile synthesis of core-shell nanoparticles consisting of Pt thin layer as the shell and Ni nanoparticles as the cores. The described method herein is suitable for large-scale and low-cost production of the core-shell nanoparticles. X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy techniques were used to investigate the physicochemical characterizations. Importantly, the catalytic activity of Ni@Pt core-shell nanoparticles was probed to develop electrocatalyst in direct ethanol fuel cells (DEFCs). This electrocatalyst was applied to ethanol oxidation reaction for first time. Thus, the electrocatalytic activity of the Ni@Pt core-shell nanoparticles towards ethanol oxidation reaction has been investigated by cyclic voltammetry and chronoamperometry methods in NaOH solution. The Ni@Pt core-shell nanoparticles show markedly enhanced electrocatalytic activity and stability for ethanol oxidation compared with the Pt nanoparticles catalyst. The results indicate that the Jf/Jb of Ni@Pt is 1.4 times that of Pt. This high electrocatalytic performance can be attributed to the unique structure of the as-prepared nanoparticles. The attractive performances of Ni@Pt core-shell nanoparticles make them a promising candidate electrocatalyst for ethanol electrooxidation.

Keywords

Main Subjects


[1]  Lu  X.,  Luo  F.,  Song  H.,  Liao  Sh.,  Li  H.,  “Pulse  electrodeposition  to  prepare  core-shell  structured  AuPt@Pd/C  catalyst  for  formic  acid  fuel  cell  application”,  J.  Power  Sources,  2014,  246:  659.

[2]  Zhu  F.,  Wang  M.,  He  Y.,  Guanshui  M.,  Zhang  Zh.,  Wang  X.,  “A  comparative  study  of  elemental  additives  (Ni,  Co  and  Ag)  on  electrocatalytic  activity  improvement  of  PdSn-based  catalysts  for ethanol  and  formic  acid  electro-oxidation”, Electrochim  Acta,  2014,  148:  291.

[3]  Caballero-Manrique  G.,  Vel´azquez-Palenzuela  A.,  Brillas  E.,  Centellas  F.,  Garrido  J.  A.,  Rodrı´guez  R.  M.,  Cabot  P.  L.,  “Electrochemical  synthesis  and  characterization  of  carbon-supported  Pt  and  Pt-Ru  nanoparticles  with  Cu  cores  for  CO  and  methanol  oxidation  in  polymer  electrolyte  fuel  cells”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2014,  39:  12859.

[4]  Wang  X.,  Ma G.,  Zhu F.,  Lin  N.,  Tang B.,  Zhang  Zh.,  “Preparation  and  characterization  of  micro-arc-induced  Pd/TM (TM  =Ni,  Co  and  Ti)  catalysts  and  comparison  of  their electrocatalytic  activities  toward  ethanol  oxidation”,  Electrochim  Acta,  2013,  114:  500.

[5]  Zhang  M.,  Yan  Z.,  Xie J.,  “Core/shell  Ni@Pd  nanoparticles  supported  on  MWCNTs  at  improved  electrocatalytic  performance  for  alcohol  oxidation  in  alkaline  media”,  Electrochim  Acta,  2012,  77:  237.

[6]  Wang  H.,  Wang  R.,  Li  H.,   Wang  Q.,  Kang  J.,  Lei  Z.,  “Facile  synthesis  of  carbon-supported  pseudo-core@shell  PdCu@Pt  nanoparticles  for  direct  methanol  fuel  cells”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2011,  36:  839.

[7]  Chaudhuri  R.  Gh.,  Paria  S.,  “Core/Shell  Nanoparticles:  Classes,  Properties,  Synthesis  Mechanisms,  Characterization,  and  Applications”,  Chem.  Rev,  2012,  112:  2373.

[8]  Ciszewski  A.,  Milczarek  G.,  “Kinetics  of  electrocatalytic  oxidation  of  formaldehyde  on  a  nickel  porphyrin-based  glassy  carbon  electrode”,  J.  Electroanal  Chem,  1999,  469:  18.

[9]  Habibi  B.,  Delnavaz  N.,  “Carbon-ceramic  supported  bimetallic  Pt-Ni  nanoparticles  as  an  electrocatalyst  for  oxidation  of  formic  acid”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2011,  36:  9581.

[10]  Chen  Y.,  Yang  F.,  Dai  Y.,  Wang  W., Chen  Sh., “Ni@Pt  Core−Shell  Nanoparticles:   Synthesis,  Structural  and  Electrochemical  Properties”,  J.  Phys.  Chem.  C,  2008,  112:  1645.

[11]  Wang  G.,  Wu  H.,  Wexler  D.,  Liu  H.,  Savadogo  O.,  “Ni@Pt  core–shell  nanoparticles  with  enhanced  catalytic  activity  for  oxygen  reduction  reaction”  J.  Alloys  Compd,  2010,  503:  L1.

[12]  Cantane  D.A.,  Oliveira  F. E. R.,  Santos  S. F.,  Lima  F. H. B.,  “Synthesis  of  Pt-based  hollow  nanoparticles  using  carbon-supported  Co@Pt  and  Ni@Pt  core–shell  structures  as  templates:  Electrocatalytic  activity  for  the  oxygen  reduction  reaction”,  Appl.  Catal.  B:  Environmental,  2013,  136:  351.

[13]  Ding  L-X.,  Li  G-R.,  Wang  Z-L.,  Liu  Zh-Q.,  Liu  H.,  Tong  Y-X.,  “Porous  Ni@Pt  Core-Shell  Nanotube  Array  Electrocatalyst  with  High  Activity  and  Stability  for  Methanol  Oxidation”,  Chem.  Eur.  J,  2012,  18:  8386.

[14]  Fu  X-Zh.,  Liang  Y.,  Chen  Sh-P.,  Lin  J-D.,  Liao  D-W.,  “Pt-rich  shell  coated  Ni  nanoparticles  as  catalysts  for  methanol  electro-oxidation  in  alkaline  media”,  Catal.  Commun,  2009,  10:  1893.

[15]  Bhlapibul  S.,  Pruksathorn  K.,  Piumsomboon  P.,  “The  effect  of  the  stabilizer  on  the  properties  of  a  synthetic  Nicore–Ptshell  catalyst  for  PEM  fuel  cells”,  Renewable  Energy,  2012,  41:  262.

[16]  Sa´nchez-Padilla  N. M.,  Montemayor  S.  M.,  Torres  L.  A.,  Rodrı´guez  Varela  F.  J.,  “Fast  synthesis  and  electrocatalytic  activity  of  M@Pt  (M  [Ru,  Fe3O4,  Pd])  core-shell  nanostructures  for  the  oxidation  of  ethanol  and  methanol”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2013,  38:  12681.

[17]  Habibi  B.,  Dadashpour  E.,  “Carbon-ceramic  supported  bimetallic  Pt–Ni  nanoparticles  as  an  electrocatalyst  for  electrooxidation  of  methanol  and  ethanol  in  acidic  media”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2013,  38:  5425.

[18]  Li  Z.,  He  Ch.,  Caib  M.,  Kang  Sh.,  Shen  P.  K.,  “A  strategy  for  easy  synthesis  of  carbon  supported  Co@Pt  core-shell  configuration  as  highly  active  catalyst  for  oxygen  reduction  reaction”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2012,  37:  14152.

[19]  Ruiz  Camachoa  B.,  Moraisa  C.,  Valenzuela  M.  A.,  Alonso-Vantea  N.,  “Enhancing  oxygen  reduction  reaction  activity  and  stability  of  platinum  via  oxide-carbon  composites”,  Catal  Today,  2013,  202:  36.

[20]  Xu  W.,  Zhua  Sh.,  Li  Zh.,  Cui  Zh.,  Yang  X.,  “Synthesis  and  catalytic  properties  of  Pd  nanoparticles  loaded  nanoporous  TiO2  material”,  Electrochim  Acta,  2013,  114:  35.

[21]  Li  Sh.  Sh.,  Hu  Y.  Y.,  Feng  J.  J.,  Lv  Z.  Y.,  Chen  J.  R.,  Wang  A.  J.,  “Rapid  room-temperature  synthesis  of  Pd  nanodendrites  on  reduced  graphene  oxide  for  catalytic  oxidation  of  ethylene  glycol  and  glycerol”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2014,  39:  3730.

[22]  Lin  R., Cao  Ch.,  Zhao  T.,  Huang  Zh.,  Li  B.,  Wieckowski  A.,  Ma  J.,  “Synthesis  and  application  of  core-shell  Co@Pt/C  electrocatalysts  for  proton  exchange  membrane  fuel  cells”,  J.  Power  Sources,  2013,  223:  190.

[23]  Santiago  E.  I.,  Varanda  L.  C.,  Villullas  M.  J.,  “Carbon-supported  Pt-Co  catalyst  prepared  by  a  modified  polyol  process  as  cathodes  for  PEM  fuel  cells”,  J.  Phys.  Chem.  C,  2007,  111:  3146.

[24]  Divya  P.,  Ramaprabhu  S.,  “Platinum  nanoparticles  supported  on  a  bi-metal  oxide  grown  carbon  nanostructure  as  an  ethanol  electro-oxidation  electrocatalyst”,  J.  Mater.  Chem.  A,  2013,  1:  13605.

[25]  Hasan  M.,  Newcomb  S. B.,  Razeeb  K. M.,  “Porous  Core/Shell  Ni@NiO/Pt  Hybrid  Nanowire  Arrays  as  a  High  Efficient  Electrocatalyst   for  Alkaline  Direct  Ethanol  Fuel  Cells”.  J.  Electrochem.  Soc.  2012,  159:  F203.

[26]  Gao  H.,  Liao  Sh.,  Liang  Zh.,  Liang  H.,  Luo  F.,  “Anodic  oxidation  of  ethanol  on  core-shell  structured  Ru@PtPd/C  catalyst  in  alkaline  media”.  J.  Power  Sources,  2011,  196  :6138.

[27]  Zhang  Z. Y.,  Xin  L.,  Sun  K.,  Li  W. Z.,  “Pd–Ni  electrocatalysts  for  efficient  ethanol  oxidation  reaction  in  alkaline  electrolyte”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2011,  36:  12686.

[28]  Fashedemi  O.  O.,  Ozoemena  K.  I.,  “Comparative  electrocatalytic  oxidation  of  ethanol,  ethylene  glycol  andglycerol  in  alkaline  medium  at  Pd-decorated  FeCo@Fe/C  core-shellnanocatalysts”,  Electrochim  Acta,  2014,  128:  279.

[29]  Wei  Y.-C.,  Liu  C.-W.,  Kang  W.-D.,  Lai  C.-M.,  Tsai  L.-D.,  Wang  K.-W.,  “Electro-catalytic  activity  enhancement  of  Pd–Ni  electrocatalysts  for  the  ethanolelectro-oxidation  in  alkaline  medium:  The  promotional  effect  of  CeO2  addition”,  J.  Electroanal.  Chem,  2011,  660:  64.

[30]  Jin  H.,  Wang  D.,  Zhao  Y.,  Zhou  H.,  Wang  Sh.,  Wang  J.,  “Fabrication  of  Te@Au  core-shell  hybrids  for  efficient  ethanol  oxidation”,  J.  Power  Sources,  2012,  215:  227.

[31]  Yang  S.,  Zhang  X.,  Mi  H.,  Ye  X.,  “Pd  nanoparticles  supported  on  functionalized  multi-wall  carbon  nanotubes  (MWCNTs)  and  electrooxidation  for  formic  acid”,  J.  Power  Sources,  2008,  175:  26.

[32]  Wang  J.  Y.,  Kang  Y.  Y.,  Yang  H.,  Cai  W.  B.,  “Boron-doped  palladium  nanoparticleson  carbon  black  as  a  superior  catalyst  for  formic  acid  electro-oxidation”,  J.  Phys.  Chem  C,  2009,  113:  8366.

[33]  Abbaspour  A.,  Norouz-Sarvestani  F.,  “High  electrocatalytic  effect  of  Au-Pd  alloy  nanoparticles  electrodeposited  on  microwave  assisted  sol-gel-derived  carbon  ceramic  electrode  for  hydrogen  evolution  reaction”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2013,  38:  1883.

[34]  Wang  X.  M.,  Xia  Y.  Y.,  “The influence  of  the  crystal  structure  of  TiO2  support  material  on  Pd  catalysts  for  formic  acid  electrooxidation”,  Electrochim  Acta,  2010,  55:  851.

[35]  Zang  J.,  Dong  L.,  Jia  Y.,  Pan  H.,  Gao  Zh.,  Wang  Y.,  “Core-shell  structured  SiC@C  supported  platinum  electrocatalysts  for  direct  methanol  fuel  cells”,  Appl  Catal  B  Environ,  2014,  11:  166.

[36]  Zhang  X.,  Zhu  H.,  Guo  Zh.,  Wei  Y.,  Wang  F.,  “Design  and  preparation  of  CNT@SnO2  core-shell  composites  with  thin  shell  and  its  application  for  ethanol  oxidation”,  Int.  J.  Hydrogen  Energy,  2010,  35:  8841.