(Phys.org) — Al honderden jaren, alchemisten hebben geprobeerd onedele metalen in kostbare metalen te veranderen. Hoewel ze lood misschien nooit in goud veranderen, wetenschappers hebben een manier ontdekt om een ​​nikkelrijk nanodeeltje om te zetten in een platinarijk "nanoframe" dat de ontwikkeling van brandstofcellen en andere elektrochemische technologieën zou kunnen beïnvloeden.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en het Lawrence Berkeley National Laboratory werkten samen om platina-nikkel veelvlakken om te zetten in kale frames met een veel rijker platinagehalte. Argonne fysisch chemicus Vojislav Stamenkovic, en Lawrence Berkeley-onderzoeker en UC Berkeley-professor Peidong Yang leidde het onderzoeksteam dat wetenschappers een nieuwe benadering van katalyse heeft gegeven.

"Veelvlakken zijn de gebruikelijke nanostructuren die al tientallen jaren worden gebruikt voor katalyseonderzoek, " zei Stamenkovic. "Ons onderzoek toont aan dat er mogelijk andere opties beschikbaar zijn."

Platina is een zeer actieve katalysator, waardoor het wenselijk is voor onderzoekers die op zoek zijn naar nieuwe materialen voor brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen, onder andere technologieën. Helaas, vanwege het zeldzame en dure karakter, onderzoekers hebben manieren moeten vinden om het zo efficiënt mogelijk te gebruiken. In de veelvlakconfiguratie, veel van de gewaardeerde platina-atomen waren begraven en onbereikbaar in het grootste deel van het nanodeeltje.

Door de binnenkant van het nanodeeltje te eroderen met behulp van een chemisch proces, de onderzoekers konden een nanoframe maken - een skelet van het oorspronkelijke veelvlak dat de relatief platinarijke randen behield. Terwijl het oorspronkelijke veelvlak uit drie nikkelatomen bestond voor elk platina-atoom, de nanoframes hadden, gemiddeld, de omgekeerde verhoudingen.

De keuze om nanoframes te gebruiken in plaats van veelvlakken gaf de onderzoekers een bijkomend groot voordeel. In plaats van in contact te moeten komen met het oppervlak van het nanodeeltje, gekatalyseerde moleculen kunnen er vanuit elke richting contact mee maken - inclusief wat vroeger de binnenkant van de structuur was. Dit vergroot de oppervlakte die beschikbaar is om reacties te laten plaatsvinden.

"Met kozijnen, we hebben de structuur volledig geopend en de begraven niet-functionele bulkatomen verwijderd. Er zijn nog steeds een aanzienlijk aantal actieve sites op de nanoframes die vanuit elke richting kunnen worden benaderd, ', aldus Stamenkovi.

Na het eroderen van het materiaal, de wetenschappers van Argonne en Berkeley wilden de stabiliteit ervan verzekeren in het harde, zeer veeleisende elektrochemische omgeving. Om dit te doen, ze creëerden een "tweede huid" van platina over het nanoframe, het vergroten van de duurzaamheid ervan.

Volgens Yang, de nanokatalysatorframes bieden een aantal voordelen. "In tegenstelling tot andere syntheseprocedures voor holle nanostructuren waarbij corrosie wordt veroorzaakt door agressieve oxidatiemiddelen of toegepast potentieel, onze methode verloopt spontaan in de lucht, " zei hij. "De open structuur van onze platina/nikkel nanoframes beantwoordt aan enkele van de belangrijkste ontwerpcriteria voor geavanceerde elektrokatalysatoren op nanoschaal, inclusief hoge oppervlakte-tot-volume verhouding, 3D-moleculaire toegankelijkheid van het oppervlak en aanzienlijk verminderd gebruik van edele metalen."

"Onze resultaten beschrijven een nieuwe klasse materialen op basis van de open architectuur van het holle nanoframe en het goed gedefinieerde samenstellingsprofiel van het oppervlak, " voegde Stamenkovic toe. "De techniek voor het maken van deze holle nanoframes kan gemakkelijk worden toegepast op andere multimetallische elektrokatalysatoren of gasfasekatalysatoren. We zijn vrij optimistisch over de commerciële levensvatbaarheid ervan."

Een paper gebaseerd op het onderzoek getiteld "Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces" verschijnt in de editie van 27 februari van Wetenschap Express en wordt binnenkort gepubliceerd in Wetenschap .