Monometallic Ni and bimetallic Pt-Ni nanocatalysts by supercritical deposition

Abstract

Tek başına nikel ve de çift-metalli platin-nikel nano parçacıkları ?-Al2O3, Vulcan XC72R ve karbon aero-jel (KA) destek malzemelerinin üzerinde süper kritik karbondioksit (scCO2) depozisyonu (SCD) yöntemi ile sentezlenmiştir. Sentezlenen malzemelerin karakterizasyonu Nitrojen Fizisorpsiyon (BET), Sıcaklık Programlı Desorpsiyon (TPD), X-Işını Difraksiyon Spektroskopisi (XRD), Geçirgenli Elektron Mikraskopu (TEM) ve Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDXS) teknikleri ile yapılmıştır. Süper kritik karbon dioksit içinde çözünmüş nikel asetilasetonat (Ni(acac)2) destek malzemesi üzerine adorplanmıştır. Adsorplanmış Ni öncü malzemesi olan (Ni(acac)2) hidrojen akışı altında ısıl işlemler ile Ni nanoparçacıklarına dönüştürülmüştür. Elde edilen nanoparçacıkların boyutlarının ortalama 6 nm oldukları gözlenmiştir. Çift-metalli Pt-Ni nanoparçacıklarının sentezlenmesinde sıralı depozisyon adı verilen iki-adımlı bir teknik kullanılmıştır. Öncelikle, Pt metal öncü malzemesi olan platin siklo-oktadiyen-dimetil Pt(cod)(me)2 çözünmüş halde bulunduğu scCO2 ortamından destek malzemesi yüzeyine adsorplanır ve devamında 200 oC'de azot gazı akışı altında Pt nano parçacıklarına çevrilir. Ardından, (Ni(acac)2) metal öncü malzemesi Pt/destek malzemesi üzerine adsorplanır. Adsorplanan (Ni(acac)2) devamında hidrojen gazı altındaki ısıl işlemler ile Ni metaline indirgenir. Bu işlemler sonrası, Vulcan XC72R üzerinde ~3 nm büyüklüğünde küresel Pt-Ni nanoparçacıkları; KA üzerinde parçacık boyut dağılımı ~1nm civarında Pt-Ni nanoparçacıkları; ?-Al2O3 üzerinde ise parçacık dağılımı gene ~3nm civarında çift-metalli Pt-Ni nanoparçacıkları elde edilmiştir. EDXS ölçümlerinde gözlemlenen kompozisyonların bölgelere göre sadece küçük değişimler göstermesi çift-metalli nano parçacıkların düzenli ve homojen bir dağılıma sahip olduğuna işaret etmektedir. İki-adımlı depozisyon tekniğinde metal yüklenmesi sırasının sentezlenen malzemelerin morfoloji ve aktivitesine olan etkileri de çalışılmıştır. Bulgular göstermektedir ki, daha sonra yüklenen Ni metalinin nanoparçacıkları, önceden depozit edilmiş Pt adacıklarının üzerinde oluşmuştur. Böylece kimyasal kompozisyonu değişiklik göstermeyen, faz ayrımı sergilemeyen çift-metalli Pt-Ni nanoparçacıkları sentezlenmiştir. İlgi çekici bir şekilde, çift-metalli nanoparçacıkların boyutlarının tek metalli nikelden daha küçük olduğu gözlenmiştir. Ancak, depozisyon sırası Ni öncelikli olarak değiştirildiğinde, çift-metalli Pt-Ni nanoparçacıkları yerine saf Ni topaklanmaları TEM resimlerinde gözlenmiştir. Karbon destek malzemesi ile sentezlenen katalizörlerin döngüsel voltametre (Cyclic Voltammetry - CV) ölçümleri yapılmıştır. Çift-metalli katalizörlerin tekli olanlara göre daha yüksek aktivite gösterdiği gözlenmiştir. Çiftmetalli katalizörler arasında ise, Pt depozisyonunun önce yapılmasının aktiviteyi arttırdığı saptanmıştır.

Monometallic nickel and bimetallic platinum-nickel nanoparticles were deposited on ?-Al2O3, Vulcan XC72R and carbon aerogel (CA) supports by supercritical carbon dioxide (scCO2) deposition (SCD). Characterization of the samples was carried out by BET, TPD, XRD, TEM, and EDXS. Nickel acetylacetonate (Ni(acac)2) was adsorbed on the supports from scCO2 solutions. The adsorbed Ni precursor was reduced to nickel nanoparticles by heat treatment under hydrogen. The resulting nanoparticles had an average size of 6 nm. Bimetallic Pt-Ni nanoparticles were synthesized by a two-step procedure termed sequential deposition. First, Pt nanoparticles were deposited on the supports by adsorption of platinum cyclooctadiene dimethyl Pt(cod)(me)2 from scCO2 solution followed by reduction of the adsorbed precursor to Pt by heat treatment at 200 oC under flowing nitrogen. Subsequently, Ni(acac)2 was adsorbed on Pt/support from scCO2. The adsorbed Ni precursor was then reduced to Ni by heat treatment under hydrogen. Spherical nanoalloys of Pt-Ni nanoparticles with uniform sizes of ~3nm were obtained over Vulcan XC 72R, and Pt-Ni nanoparticles with uniform sizes of ~1nm were successfully synthesized over carbon aerogel. As for the alumina support, supported Pt-Ni nanoparticles of ~3 nm in size were obtained. The small composition variations in EDXS measurements indicated a uniform distribution of the bimetallic nanoparticles. The effect of the order of sequential deposition of Pt and Ni on both morphology and activity of the synthesized materials were also investigated. It was found that the formation of Ni nanoparticles occurs on the previously deposited Pt islands resulting in bimetallic spherical nanoparticles having homogeneous chemical compositions with no phase separation when Pt deposition is carried out first and this is followed by Ni deposition. Interestingly, the size of the bimetallic nanoparticles was found to be smaller than the size of the monometallic Ni. However, pure Ni agglomerates were observed on TEM images when Ni deposition is achieved first and this was followed by Pt addition. Cyclic voltammograms of the carbon supported catalysts were also determined. Bimetallic nanocatalysts showed a higher activity than the monometallic nanocatalysts. Among the bimetallic nanocatalysts, higher activity was obtained when Pt deposition was carried out first.