Wetenschappers van Ames Laboratory hebben een methode ontdekt om kleinere, efficiëntere intermetallische nanodeeltjes voor brandstofceltoepassingen, en die ook minder van het dure edelmetaal platina gebruiken.

De onderzoekers slaagden erin een aantal van de technische uitdagingen te overwinnen die zich voordoen bij de fabricage van de platina-zink-nanodeeltjes met een geordende roosterstructuur, die het beste functioneren bij de kleine afmetingen waarin het chemisch reactieve oppervlak het grootst is in verhouding tot het deeltjesvolume.

"Die oppervlakte-tot-volumeverhouding is belangrijk om het meeste uit een intermetallisch nanodeeltje te halen, " zei Wenyu Huang, Ames Laboratory-wetenschapper en assistent-professor scheikunde aan de Iowa State University. "Hoe kleiner het deeltje, hoe meer oppervlakte er is, en meer oppervlakte verhoogt de katalytische activiteit."

Maar de hoge temperatuur van het gloeiproces die nodig is om intermetallische nanodeeltjes te vormen, verslaat vaak het doel om een ​​kleine omvang te bereiken.

"Uitgloeien op hoge temperatuur kan ervoor zorgen dat de deeltjes aggregeren of klonteren, en produceert grotere deeltjesgroottes die minder beschikbaar oppervlak hebben en niet zo reactief zijn. Dus, alleen de stappen die nodig zijn om ze te produceren, kunnen hun ultieme chemische prestaties verslaan, " zei Huang.

Om aggregatie tijdens het verwarmingsproces te voorkomen, De onderzoeksgroep van Huang gebruikte eerst koolstofnanobuisjes als ondersteuning voor de PtZn-nanodeeltjes, en bedek ze vervolgens met een opofferende mesoporeuze silicaschaal voor het gloeien bij hoge temperatuur om de intermetallische structuren te vormen. Een chemisch etsproces verwijdert vervolgens de silica-omhulling.

Het resulterende eindproduct van uniforme 3,2 nm platina-zinkdeeltjes leverde niet alleen tweemaal de katalytische activiteit per oppervlakteplaats op, dat oppervlak had tien keer de katalytische activiteit van grotere deeltjes die dezelfde hoeveelheid platina bevatten.

De ontdekking werd mede mogelijk gemaakt door de mogelijkheden van een nieuwe Titan scanning elektronenmicroscoop bij Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility, gezamenlijk gefinancierd door het Department of Energy en de Iowa State University.

"Het kunnen zien van de verdeling van het materiaal op atomair niveau met onze nieuwe microscoop heeft een enorme positieve invloed gehad op de mogelijkheden van het laboratorium om materialen te verfijnen, " zei Lin Zhou, associate scientist en instrument lead voor de Sensitive Instrument Facility. "Het is een veel directer proces, direct kunnen samenwerken met de fabricagewetenschappers in huis. Op basis van de resultaten en suggesties die we geven, ze kunnen het materiaal verbeteren, we kunnen het nog eens karakteriseren, en de ontdekkingscyclus is veel sneller."

Het onderzoek wordt verder besproken in een paper, "Sub-4 nm PtZn intermetallische nanodeeltjes voor verbeterde massa en specifieke activiteiten in katalytische elektro-oxidatiereactie", gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society .