Natuurkundigen hebben ontdekt dat platina-nanodeeltjes hun grootte beperken en zich organiseren in specifieke patronen wanneer ze worden gehecht aan vrijstaand grafeen.

Tijdens het weergeven van dit gedrag, de gebonden platina-nanodeeltjes behouden een effectief oppervlak dat functioneert als een katalysator voor chemische reacties, een ontdekking die de productiekosten van platina-gekatalyseerde brandstofcellen zou kunnen verlagen.

Een internationaal team van wetenschappers, geleid door een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Arkansas, publiceerde zijn bevindingen op 5 februari in het tijdschrift ACS Nano , in een paper getiteld, "Zelfgeorganiseerde platina-nanodeeltjes op vrijstaand grafeen."

De studie werd geleid door Peng Xu, een onderzoeksmedewerker in de afdeling natuurkunde van het J. William Fulbright College of Arts and Sciences aan de Universiteit van Arkansas.

Platina-gekatalyseerde brandstofcellen worden gebruikt om gebouwen aan te drijven als vervanging voor de verbrandingsmotoren in voertuigen.

"Omdat platina een zeldzaam metaal is, veel van de kosten voor de productie van hybride voertuigen komen van het platina dat nodig is om brandstofcellen te katalyseren, " zei Paul Thibado, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Arkansas.

"Platina, wanneer geplaatst op vaste oppervlakken, diffundeert om willekeurige deeltjes te vormen die ongecontroleerd groeien, en dat beperkt hun reactiviteit, "zei hij. "Aan de andere kant, vrijstaand grafeen heeft een zeer flexibel oppervlak, en dat vonden we, als gevolg van lokale spanningseffecten, er is een vermindering van 80 procent van de hoeveelheid platina die nodig is om een ​​effectieve katalyse te behouden."

Het onderzoek laat ook zien, Voor de eerste keer, dat een functioneel superieur, monokristallijn platina-nanodeeltje komt voort uit de toepassing ervan op grafeen.

"Wat we vonden was best spannend, "Zei Thibado. "Het is echt heel speciaal."

Grafeen - een van de sterkste, lichtste en meest geleidende materialen die bekend zijn, is een één atoom dikke laag koolstofatomen. Elektronen die door grafiet bewegen, hebben massa en stuiten op weerstand, maar elektronen die door grafeen bewegen zijn massaloos en ondervinden daardoor veel minder weerstand. Dit maakt grafeen een uitstekend kandidaatmateriaal voor toekomstige energiebehoeften, evenals in quantum computing voor enorme berekeningen met weinig energieverbruik.

Grafeen werd in 2004 ontdekt, en er is nog veel onbekend over de eigenschappen ervan. Thibado's groep gebruikt beeldvorming en manipulatie op atomaire schaal om de toepassingen van zowel ongerept als chemisch gefunctionaliseerd grafeen te bevorderen, door de ontwikkeling van een gedetailleerd begrip van de fundamentele elektronische en mechanische eigenschappen ervan.

De recente studie, die voornamelijk tot stand kwam via een onderzoekspartnerschap tussen de Universiteit van Arkansas, Missouri State University en de Universiteit Antwerpen in België, bestond uit transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie gecombineerd met scanning tunneling microscopie en ultramoderne computationele moleculaire dynamica. Dat is een combinatie die je zelden ziet in de natuurkunde, zei Thibado, een expert in experimentele fysica van de gecondenseerde materie.

Scanning tunneling microscopie, die beelden produceert van individuele atomen op een oppervlak, werd gebruikt om het gedrag van de platina-nanodeeltjes op het grafeen te bekijken. Onderzoekers in Missouri gebruikten transmissie-elektronenmicroscopie, een techniek waarbij een bundel elektronen door een ultradun materiaal wordt gestuurd, om de kristallijne eigenschappen te bevestigen.

De samensmelting van beide experimentele technieken met theoretische modellering leverde een onverwacht resultaat op voor de onderzoekers:de binding van het grafeen aan de platina nanodeeltjes was ongebruikelijk, volgens Thibado.

"Omdat het zo sterk en flexibel is, grafeen wikkelt zich meestal rond het materiaal waarmee het zich hecht, "Zei Thibado. "In dit geval, de hechting met het platina was totaal anders, meer als een piramide."