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Surface Facet Engineering in Nanoporous Gold for Low-Loading Catalysts in Aluminum–Air Batteries
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2021-03-14 , DOI: 10.1021/acsami.0c20163 Min Wang 1 , Andrew C. Meng 2 , Jintao Fu 2 , Alexandre C. Foucher 2 , Rui Serra-Maia 2 , Eric A. Stach 2 , Eric Detsi 2 , James H. Pikul 1
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2021-03-14 , DOI: 10.1021/acsami.0c20163 Min Wang 1 , Andrew C. Meng 2 , Jintao Fu 2 , Alexandre C. Foucher 2 , Rui Serra-Maia 2 , Eric A. Stach 2 , Eric Detsi 2 , James H. Pikul 1
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The performance of metal–air batteries and fuel cells depends on the speed and efficiency of electrochemical oxygen reduction reactions at the cathode, which can be improved by engineering the atomic arrangement of cathode catalysts. It is, however, difficult to improve upon the performance of platinum nanoparticles in alkaline electrolytes with low-loading catalysts that can be manufactured at scale. Here, the authors synthesized nanoporous gold catalysts with increased (100) surface facets using electrochemical dealloying in sodium citrate surfactant electrolytes. These modified nanoporous gold catalysts achieved an 8% higher operating voltage and 30% greater power density in aluminum–air batteries over traditionally prepared nanoporous gold, and their performance was superior to commercial platinum nanoparticle electrodes at a 10 times lower mass loading. The authors used rotation disc electrode studies, backscattering of electrons, and underpotential deposition to show that the increased (100) facets improved the catalytic activity of citrate dealloyed nanoporous gold compared to conventional nanoporous gold. The citrate dealloyed samples also had the highest stability and least concentration of steps and kinks. The developed synthesis and characterization techniques will enable the design and synthesis of metal nanostructured catalysts with controlled facets for low-cost and mass production of metal–air battery cathodes.
中文翻译:
纳米多孔金的表面刻面工程,用于铝空气电池中的低负载催化剂
金属-空气电池和燃料电池的性能取决于阴极上电化学氧还原反应的速度和效率,可以通过设计阴极催化剂的原子排列来提高其速度。然而,利用可大规模生产的低负载催化剂,难以改善铂纳米颗粒在碱性电解质中的性能。在这里,作者使用柠檬酸钠表面活性剂电解质中的电化学脱合金法,合成了具有增加的(100)表面刻面的纳米多孔金催化剂。与传统制备的纳米多孔金相比,这些改性的纳米多孔金催化剂在铝空气电池中的工作电压提高了8%,功率密度提高了30%,并且其质量在低10倍的质量负载下优于商用铂纳米颗粒电极。作者使用旋转盘电极研究,电子的反向散射和欠电位沉积来表明,与传统的纳米多孔金相比,增加的(100)晶面改善了柠檬酸盐脱合金纳米多孔金的催化活性。柠檬酸盐脱合金样品还具有最高的稳定性和最小的台阶和扭结浓度。先进的合成和表征技术将能够设计和合成具有可控面的金属纳米结构催化剂,以低成本,大量生产金属-空气电池阴极。欠电位沉积表明,与常规纳米多孔金相比,增加的(100)晶面改善了柠檬酸盐脱合金纳米多孔金的催化活性。柠檬酸盐脱合金样品还具有最高的稳定性和最小的台阶和扭结浓度。先进的合成和表征技术将能够设计和合成具有可控面的金属纳米结构催化剂,以低成本,大量生产金属-空气电池阴极。欠电位沉积表明,与常规纳米多孔金相比,增加的(100)晶面改善了柠檬酸盐脱合金纳米多孔金的催化活性。柠檬酸盐脱合金样品还具有最高的稳定性和最小的台阶和扭结浓度。先进的合成和表征技术将能够设计和合成具有可控面的金属纳米结构催化剂,以低成本,大量生产金属-空气电池阴极。
更新日期:2021-03-24
中文翻译:
纳米多孔金的表面刻面工程,用于铝空气电池中的低负载催化剂
金属-空气电池和燃料电池的性能取决于阴极上电化学氧还原反应的速度和效率,可以通过设计阴极催化剂的原子排列来提高其速度。然而,利用可大规模生产的低负载催化剂,难以改善铂纳米颗粒在碱性电解质中的性能。在这里,作者使用柠檬酸钠表面活性剂电解质中的电化学脱合金法,合成了具有增加的(100)表面刻面的纳米多孔金催化剂。与传统制备的纳米多孔金相比,这些改性的纳米多孔金催化剂在铝空气电池中的工作电压提高了8%,功率密度提高了30%,并且其质量在低10倍的质量负载下优于商用铂纳米颗粒电极。作者使用旋转盘电极研究,电子的反向散射和欠电位沉积来表明,与传统的纳米多孔金相比,增加的(100)晶面改善了柠檬酸盐脱合金纳米多孔金的催化活性。柠檬酸盐脱合金样品还具有最高的稳定性和最小的台阶和扭结浓度。先进的合成和表征技术将能够设计和合成具有可控面的金属纳米结构催化剂,以低成本,大量生产金属-空气电池阴极。欠电位沉积表明,与常规纳米多孔金相比,增加的(100)晶面改善了柠檬酸盐脱合金纳米多孔金的催化活性。柠檬酸盐脱合金样品还具有最高的稳定性和最小的台阶和扭结浓度。先进的合成和表征技术将能够设计和合成具有可控面的金属纳米结构催化剂,以低成本,大量生产金属-空气电池阴极。欠电位沉积表明,与常规纳米多孔金相比,增加的(100)晶面改善了柠檬酸盐脱合金纳米多孔金的催化活性。柠檬酸盐脱合金样品还具有最高的稳定性和最小的台阶和扭结浓度。先进的合成和表征技术将能够设计和合成具有可控面的金属纳米结构催化剂,以低成本,大量生产金属-空气电池阴极。