Een team van de Universiteit van Pittsburgh overwon een grote hindernis die de ontwikkeling van nanomaterialen teisterde, zoals die welke zouden kunnen leiden tot efficiëntere katalysatoren die worden gebruikt om waterstof te produceren en om de uitlaatgassen van auto's minder giftig te maken. De onderzoekers rapporteerden 29 november in Natuurmaterialen de eerste demonstratie van stabiliteit bij hoge temperatuur in metalen nanodeeltjes, de geroemde materialen van de volgende generatie worden gehinderd door een kwetsbaarheid voor extreme hitte.

Götz Veser, een universitair hoofddocent en CNG Faculty Fellow van chemische en petroleumtechnologie in Pitt's Swanson School of Engineering, en Anmin Cao, de hoofdauteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Veser, metaallegeringsdeeltjes gecreëerd in het bereik van 4 nanometer die bestand zijn tegen temperaturen van meer dan 850 graden Celsius, minstens 250 graden meer dan typische metalen nanodeeltjes. Gesmeed uit de katalytische metalen platina en rhodium, de zeer reactieve deeltjes werken door hun hittegevoelige componenten te dumpen als de temperatuur stijgt, een kwaliteit Cao vergeleken met een gekko die zijn staart afwerpt uit zelfverdediging.

"De natuurlijke instabiliteit van deeltjes op deze schaal is een obstakel voor veel toepassingen, van sensoren tot brandstofproductie, "Zei Veser. "Het verbazingwekkende potentieel van nanodeeltjes om volledig nieuwe velden te openen en drastisch efficiëntere processen mogelijk te maken, is aangetoond in laboratoriumtoepassingen, maar heel weinig ervan is vertaald naar het echte leven vanwege zaken als hittegevoeligheid. Om de voordelen van nanodeeltjes te kunnen plukken, ze moeten bestand zijn tegen de zware gebruiksomstandigheden."

Veser en Cao presenteren een originele benadering voor het stabiliseren van metallische katalysatoren kleiner dan 5 nanometer. Materialen binnen dit groottebereik hebben een groter oppervlak en maken bijna volledig gebruik van deeltjes mogelijk, waardoor efficiëntere reacties mogelijk zijn. Maar ze smelten ook samen bij ongeveer 600 graden Celsius - lagere reactietemperaturen dan de gebruikelijke reactietemperaturen voor veel katalytische processen - en worden te groot. Pogingen om de metalen te stabiliseren, omvatten het omhullen ervan in hittebestendige nanostructuren, maar de meest veelbelovende methoden werden alleen aangetoond in het bereik van 10 tot 15 nanometer, schreef Cao. Veser heeft zelf op oxide gebaseerde nanostructuren ontworpen die deeltjes zo klein als 10 nanometer stabiliseren.

Voor het onderzoek naar Natuurmaterialen , hij en Cao vermengden platina en rhodium, die een hoog smeltpunt heeft. Ze testten de legering via een methaanverbrandingsreactie en ontdekten dat de composiet niet alleen een zeer reactieve katalysator was, maar dat de deeltjes een gemiddelde grootte van 4,3 nanometer behielden, zelfs tijdens langdurige blootstelling aan hitte van 850 graden. In feite, kleine hoeveelheden 4-nanometerdeeltjes bleven achter nadat de temperatuur 950 graden Celsius bereikte, hoewel de meerderheid was gestegen tot acht keer die grootte.

Veser en Cao waren verrast toen ze ontdekten dat de legering niet alleen de hitte doorstond. Het offerde in plaats daarvan het platina met lage tolerantie op en reconstitueerde zichzelf vervolgens als een rhodiumrijke katalysator om de reactie te beëindigen. Bij ongeveer 700 graden Celsius, de platina-rhodiumlegering begon te smelten. Het platina "bloedde" uit het deeltje en vormde grotere deeltjes met ander dwalend platina, waardoor de duurzamere gelegeerde deeltjes aan weersinvloeden kunnen worden blootgesteld. Veser en Cao voorspelden dat deze zelfstabilisatie zou optreden voor alle metaalkatalysatoren gelegeerd met een tweede, duurzamer metaal.

Bron:Universiteit van Pittsburgh