Actuators zijn veel voorkomende machineonderdelen die energie in beweging omzetten, zoals de spieren in het menselijk lichaam, vibrators in mobiele telefoons of elektromotoren. Ideale actuatormaterialen hebben goede elektrochemische eigenschappen nodig om herhaaldelijk elektrische stromen van stromende elektronen te kunnen geleiden.

Bovendien vereisen actuatormaterialen uitstekende mechanische eigenschappen om de fysieke belasting te weerstaan ​​die gepaard gaat met voortdurende beweging. Nanoporeus platina (np-Pt), een platinamatrix met kleine poriën om de energiegeleiding te verhogen, is onlangs in grote hoeveelheden en op een kostenefficiënte manier gemaakt, waardoor np-Pt een ideaal en praktischer actuatormateriaal is.

Een groep materiaalwetenschappers van de Technische Universiteit van Hamburg in Hamburg, Duitsland, vervaardigde een np-Pt-materiaal met ultrafijne ligamenten dat bestaat uit een willekeurig, onderling verbonden netwerk van zeer fijne platinastrengen, of ligamenten, zo klein als twee nanometer (10 ^-9 m) diameter.

Dit netwerk creëert ook kleine poriën tussen de strengen, wat de beweging van elektronen of geladen atomen door het materiaal verbetert. Belangrijk is dat het team een ​​efficiënte productiemethode gebruikte die de kosten voor het synthetiseren van een np-Pt verlaagde. Door de diameter van de Pt-strengen te verkleinen, gaan zowel de oppervlakte-volumeverhouding als de mechanische stabiliteit van het np-Pt-materiaal omhoog, waardoor de actuatorprestaties van het materiaal worden verbeterd.

De onderzoekers publiceerden hun onderzoek in Energy Materials and Devices .

Vergeleken met andere nanoporeuze metalen en materialen die worden onderzocht op hun potentiële gebruik als actuatoren, ontdekte het team dat np-Pt fysiek robuuster was en waarschijnlijk goed zou werken als sensor- of detectormateriaal vergeleken met andere nanoporeuze materialen die te kwetsbaar zijn.

"De fijne ligamentgrootte van np-Pt zou een groter oppervlak kunnen opleveren, wat het materiaal tot een veelbelovende katalysator van chemische reacties en een actuatormateriaal maakt", zegt Haonan Sun, eerste auteur van het artikel en onderzoeker bij de Research Group of Geïntegreerde metalen nanomaterialensystemen aan de Technische Universiteit van Hamburg. Als katalysator zou np-Pt de snelheid van specifieke chemische reacties versnellen.

Het meest unieke aan het onderzoek was de manier waarop de onderzoekers het np-Pt-materiaal vervaardigden. "De belangrijkste doorbraak in dit onderzoek is dat we np-Pt in bulk hebben verkregen door middel van elektrochemische dealloying. Eerdere onderzoeken naar np-Pt waren allemaal gebaseerd op nanodeeltjes of films die waren vervaardigd met behulp van duurdere commerciële Pt-deeltjes. Dus de gemakkelijke en goedkope methode van dealloying vergroot de bruikbaarheid van np-Pt en maakt verder onderzoek mogelijk”, aldus Sun.

Concreet is dealloying een proces van selectieve uitloging of corrosie waarbij één component van een legering of materiaalmengsel selectief uit het materiaal wordt verwijderd. Vóór het dealloyingproces is het materiaal een uniform mengsel. Na het selectieve uitlogingsproces worden de meer chemisch actieve gemengde materialen gedeeltelijk uit het materiaal verwijderd, waardoor kleine poriën achterblijven.

In dit geval werd np-Pt vervaardigd door selectief koper uit een platina-koperlegering (Pt₁₅) uit te logen. Cu₈₅ ) met behulp van zwavelzuur (H₂ DUS₄ ).

Vóór dit onderzoek was np-Pt ook nooit in grotere bulkhoeveelheden vervaardigd. Het onderzoeksteam suggereert dat de succesvolle prestaties van bulk np-Pt als model dienen voor de ontwikkeling van andere nanoporeuze metalen die kunnen worden onderzocht op hun geschiktheid als potentiële actuatormaterialen, spanningssensoren of chemische reactiekatalysatoren.

Nu de materiaalprestaties van de actuator van np-Pt zijn vastgesteld, kijkt het team ernaar uit om de effecten van het materiaal op chemische reacties te bepalen. "De volgende stap van deze studie is het onderzoeken van de chemische katalysatoreigenschap van ons np-Pt. We hebben al een aantal zeer interessante verschijnselen gevonden met bulk np-Pt op de zuurstofreductiereactie die zuurstof en waterstof combineert om water te vormen... en we zouden Ik wil daar graag wat dieper onderzoek naar doen", aldus Sun.

Meer informatie: Haonan Sun et al., Bulk nanoporeus platina voor elektrochemische aandrijving, Energiematerialen en apparaten (2023). DOI:10.26599/EMD.2023.9370006

Aangeboden door Tsinghua University Press