Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology hebben een snelle, eenvoudig proces voor het maken van platina 'nanoframbozen' - microscopisch kleine clusters van nanodeeltjes van het edelmetaal. De besachtige vorm is belangrijk omdat het een groot oppervlak heeft, die nuttig is bij het ontwerp van katalysatoren. Nog beter nieuws voor industrieel chemici:de onderzoekers ontdekten wanneer en waarom de bessenclusters samenklonteren tot grotere trossen 'nano-druiven'.

Het onderzoek zou brandstofcellen praktischer kunnen maken. Nanodeeltjes kunnen fungeren als katalysatoren om methanol in brandstofcellen om te zetten in elektriciteit. NIST's 40 minuten durende proces voor het maken van nano-frambozen, beschreven in een nieuw artikel, heeft meerdere voordelen. Het grote oppervlak van de bessen stimuleert efficiënte reacties. In aanvulling, het NIST-proces maakt gebruik van water, een goedaardig of 'groen' oplosmiddel. En de trossen katalyseren consequent methanolreacties en zijn minstens acht weken stabiel bij kamertemperatuur.

Hoewel de bessen van platina waren gemaakt, het metaal is duur en werd alleen als model gebruikt. De studie zal daadwerkelijk helpen bij het zoeken naar alternatieve katalysatormaterialen, en klontergedrag in oplosmiddelen is een belangrijk punt. Voor brandstofcellen, nanodeeltjes worden vaak gemengd met oplosmiddelen om ze aan een elektrode te binden. Om te leren hoe dergelijke formules de eigenschappen van deeltjes beïnvloeden, het NIST-team heeft voor het eerst de klontering van deeltjes in vier verschillende oplosmiddelen gemeten. Voor toepassingen zoals vloeibare methanol brandstofcellen, katalysatordeeltjes moeten gescheiden en gedispergeerd blijven in de vloeistof, niet geklonterd.

'Onze innovatie heeft weinig te maken met het platina en alles met hoe nieuwe materialen worden getest in het laboratorium, ', vertelt projectleider Kavita Jeerage. 'Onze kritische bijdrage is dat je keuzes moet maken nadat je een nieuw materiaal hebt gemaakt. Ons papier gaat over één keuze:welk oplosmiddel je moet gebruiken. We maakten de deeltjes in water en testten of je ze in andere oplosmiddelen kon doen. We kwamen erachter dat deze keuze nogal wat is.'

Het NIST-team heeft de omstandigheden gemeten waaronder platinadeeltjes, variërend in grootte van 3 tot 4 nanometer (nm) in diameter, geagglomereerd in trossen van 100 nm breed of groter. Ze ontdekten dat klonteren afhangt van de elektrische eigenschappen van het oplosmiddel. De frambozen vormen grotere druiventrossen in oplosmiddelen die minder 'polaire, ' dat is, waar oplosmiddelmoleculen gebieden missen met sterk positieve of negatieve ladingen, (water is een sterk polair molecuul).

Dat hadden de onderzoekers verwacht. Wat ze niet hadden verwacht, is dat de trend niet op een voorspelbare manier schaalt. De vier onderzochte oplosmiddelen waren water, methanol, ethanol en isopropanol, geordend door afnemende polariteit. Er was niet veel agglomeratie in methanol; trossen werden ongeveer 30 procent groter dan ze in water waren. Maar in ethanol en isopropanol, de bosjes werden 400 procent en 600 procent groter, respectievelijk - echt gigantische trossen. Dit is een zeer slechte veringkwaliteit voor katalytische doeleinden.

Omdat de nanodeeltjes langzaam en niet te veel samenklonteren in methanol, de onderzoekers concludeerden dat de deeltjes naar dat oplosmiddel konden worden overgebracht, ervan uitgaande dat ze binnen een paar dagen zouden worden gebruikt, waardoor de katalysator effectief een vervaldatum zou hebben.