De schaarste van platina belemmert het wijdverbreide gebruik van brandstofcellen, die energie efficiënt en zonder verontreinigende stoffen leveren. Het vervangen van een deel of al dit zeldzame en dure metaal door gewone metalen in een reactieve, sterk afstembare nanodeeltjesvorm kan het gebruik van brandstofcellen uitbreiden. In het Pacific Northwest National Laboratory, wetenschappers maakten dergelijke metalen nanodeeltjes met een nieuwe op gas gebaseerde techniek en ionen zachte landing. Als bijkomend voordeel, de deeltjes zijn kaal, zonder een afdeklaag die hun oppervlakken bedekt en hun reactiviteit vermindert.

Het vervangen van inefficiënte en vervuilende verbrandingsmotoren door brandstofcellen is momenteel niet haalbaar omdat de cellen op platina gebaseerde katalysatoren nodig hebben. De PNNL-studie laat zien hoe deeltjes kunnen worden gemaakt met een vergelijkbare reactiviteit als platina die een deel van het platina vervangen door aardrijke metalen. De implicaties van deze nieuwe bereidingstechniek gaan veel verder dan brandstofcellen. Het kan worden gebruikt om gelegeerde nanomaterialen voor zonnecellen te maken, heterogene katalysatoren voor een verscheidenheid aan chemische reacties, en energieopslagapparaten.

"De nieuwe methode geeft wetenschappers fijne controle over de samenstelling en morfologie van de legeringsnanodeeltjes op oppervlakken, " zei dr. Grant Johnson, een PNNL-fysisch chemicus die de studie leidde.

Het team creëerde de nanodeeltjes met behulp van magnetronsputteren en gasaggregatie. Ze plaatsten ze op een oppervlak met behulp van ionenzachte landingstechnieken die bij PNNL waren bedacht. Het resultaat is een laag naakte nanodeeltjes gemaakt van twee verschillende metalen die vrij is van afdeklagen, resterende reactanten, en oplosmiddelmoleculen die onvermijdelijk zijn met deeltjes die in oplossing zijn gesynthetiseerd.

Het proces begint wanneer de wetenschappers metalen schijven met een diameter van 1 inch in een instrument laden dat deeltjesvorming en ionenafzetting combineert. Zodra de metalen zijn opgesloten in een vacuümkamer in het aggregatiegebied, argongas wordt geïntroduceerd. In aanwezigheid van een hoge spanning wordt het argon geïoniseerd en verdampt het de metalen door middel van sputteren. De metaalionen reizen door een gekoeld gebied waar ze met elkaar in botsing komen en aan elkaar plakken. Het resultaat zijn kale ionische metalen nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 4 tot 10 nanometer. De massaspectrometer filtert de ionische deeltjes, het verwijderen van degenen die niet aan de gewenste maat voldoen. De gefilterde deeltjes worden vervolgens zacht geland op een oppervlak naar keuze, zoals glasachtige koolstof, een veelgebruikt elektrodemateriaal.

Het creëren van de legeringsdeeltjes in de gasfase biedt tal van voordelen. De conventionele oplossingsgerichte benadering resulteert vaak in klonten van de verschillende metalen, in plaats van homogene nanodeeltjes met de gewenste vorm. Verder, de deeltjes missen een afdeklaag. Dit elimineert de noodzaak om deze lagen te verwijderen en de deeltjes te reinigen, waardoor ze efficiënter in gebruik zijn.

"Een belangrijk voordeel is dat het ons in staat stelt bepaalde thermodynamische beperkingen te omzeilen die optreden wanneer de deeltjes in oplossing worden gecreëerd, "zei Johnson. "Hierdoor kunnen we legeringen maken met consistente elementaire bestanddelen en conformatie. Verder, de kinetisch beperkte gasfase-benadering maakt ook de depositie mogelijk van intermediaire soorten die in oplossing zouden reageren."

De dekking van het resulterende oppervlak wordt bepaald door hoe lang de deeltjes op het oppervlak worden gericht en de intensiteit van de ionenbundel. In relatief korte tijdsbestekken op vlakke oppervlakken, de nanodeeltjes binden willekeurig. Laat het proces langer lopen en er ontstaat een doorlopende film. Getrapte oppervlakken resulteren erin dat de nanodeeltjes lineaire ketens vormen op de trederanden bij lage dekking. Met langere tijden en een oppervlak met gebreken, de deeltjes clusteren op de onvolkomenheden, een manier bieden om oppervlakken met deeltjesrijke gebieden en aangrenzende open ruimtes op maat te maken. De karakteriseringsexperimenten werden gedaan met behulp van de atoomkrachtmicroscoop, scanning en transmissie elektronenmicroscopen, evenals andere tools in DOE's EMSL, een nationale wetenschappelijke gebruikersfaciliteit.

Hoewel dit werk zich richt op enkele nanodeeltjes, het eindresultaat is een uitgebreide reeks met implicaties die zich uitstrekken van de atomaire schaal tot de mesoschaal. "Onderzoek op mesoschaal gaat over hoe dingen samenwerken in uitgebreide arrays, " zei Johnson, "en, dat is precies wat we hier met succes hebben opgebouwd."

De onderzoekers onderzoeken nu verschillende metaalcombinaties met verschillende platinaverhoudingen om de gewenste eigenschappen voor brandstofcelkatalysatoren te krijgen. Ze zijn van plan deze deeltjes verder te bestuderen in de nieuwe in situ transmissie-elektronenmicroscoop, gepland om te openen in EMSL in 2015, om te begrijpen hoe de deeltjes evolueren in reactieve omgevingen.