Efficiëntere katalysatoren op auto's, verbeterde batterijen en gevoeligere gassensoren zijn enkele van de potentiële voordelen van een nieuw systeem dat direct kan meten hoe nanokristallen waterstof en andere gassen adsorberen en afgeven.

De techniek, die werd ontwikkeld door Vanderbilt University Assistant Professor of Chemical and Biomolecular Engineering Rizia Bardhan, wordt beschreven in een paper dat op 4 augustus online is gepubliceerd door het tijdschrift Natuurmaterialen .

In de afgelopen 30 jaar, er is enorm veel onderzoek gedaan naar nanokristallen - kleine kristallen met een grootte tussen één en 100 nanometer (een nanometer is tot een inch wat een inch is tot 400 mijl) - vanwege de verwachting dat ze unieke fysische en chemische eigenschappen hebben die kan worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen.

Eén klasse van toepassingen hangt af van het vermogen van nanokristallen om specifieke moleculen en deeltjes uit de lucht te halen, houd ze vast en laat ze vervolgens los:een proces dat adsorptie en desorptie wordt genoemd. Vooruitgang op dit gebied wordt belemmerd door beperkingen in bestaande methoden voor het meten van de fysische en chemische veranderingen die plaatsvinden in individuele nanokristallen tijdens het proces. Als resultaat, vooruitgang is bereikt door trial-and-error en is beperkt tot gemanipuleerde monsters en specifieke geometrieën.

"Onze techniek is eenvoudig, direct en maakt gebruik van kant-en-klare instrumenten, zodat andere onderzoekers er geen moeite mee zouden hebben om het te gebruiken, " zei Bardhan. Medewerkers aan de ontwikkeling waren Vanderbilt Assistant Professor of Mechanical Engineering Cary Pint, Ali Javey van de Universiteit van Californië, Berkeley en Lester Hedges, Stephen Whitelam en Jeffrey Urban van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

De methode is gebaseerd op een standaardprocedure die fluorescentiespectroscopie wordt genoemd. Een laserstraal wordt gericht op de beoogde nanokristallen, waardoor ze fluoresceren. Terwijl de nanokristallen de gasmoleculen adsorberen, de sterkte van hun fluorescerende dimmen en terwijl ze de gasmoleculen vrijgeven, het herstelt.

"Het fluorescentie-effect is heel subtiel en erg gevoelig voor verschillen in nanokristalgrootte, " legde ze uit. "Om het te zien, moet je nanokristallen gebruiken die even groot zijn." Dat is een reden waarom het effect niet eerder werd waargenomen:fabricagetechnieken zoals kogelmalen en andere natchemische benaderingen die op grote schaal zijn gebruikt, produceren nanokristallen in verschillende groottes.Deze verschillen zijn voldoende om het effect te maskeren.

Om hun techniek te testen, de onderzoekers bestudeerden waterstofgasdetectie met nanokristallen gemaakt van palladium. Ze kiezen voor palladium omdat het zeer stabiel is en gemakkelijk geadsorbeerde waterstof afgeeft. Ze gebruikten waterstof vanwege de interesse om het te gebruiken als vervanging voor benzine. Een van de belangrijkste technische obstakels voor dit scenario is het ontwikkelen van een veilige en kosteneffectieve opslagmethode. Een op nanokristallen gebaseerd metaalhydridesysteem is een van de veelbelovende benaderingen die in ontwikkeling zijn.

Uit de metingen bleek dat de grootte van de nanokristallen een veel sterker effect heeft op de snelheid waarmee het materiaal waterstof kan adsorberen en afgeven en op de hoeveelheid waterstof die het materiaal kan opnemen dan eerder werd verwacht - allemaal belangrijke eigenschappen voor een waterstofopslagsysteem. Hoe kleiner de deeltjesgrootte, hoe sneller het materiaal het gas kan opnemen, hoe meer gas het kan opnemen en hoe sneller het het kan afgeven.

"Vroeger, mensen dachten dat het grootte-effect beperkt was tot maten kleiner dan 15 tot 20 nanometer, maar we ontdekten dat het zich uitstrekt tot 100 nanometer, ' zei Bardan.

De onderzoekers stelden ook vast dat de adsorptie/desorptiesnelheid werd bepaald door slechts drie factoren:druk, temperatuur en nanokristalgrootte. Ze vonden niet dat aanvullende factoren zoals defecten en spanning een significant effect hadden zoals eerder werd gesuggereerd. Op basis van deze nieuwe informatie, ze creëerden een eenvoudige computersimulatie die de adsorptie- / desorptiesnelheden van verschillende soorten en groottebereiken van nanokristallen met een verscheidenheid aan verschillende gassen kan voorspellen.

"Dit maakt het mogelijk om een ​​breed scala aan nanokristaltoepassingen te optimaliseren, inclusief waterstofopslagsystemen, katalysatoren, batterijen, brandstofcellen en supercondensatoren, ' zei Bardan.