Er zijn geen wondermiddelen voor wereldwijde energiebehoeften. Maar brandstofcellen waarin elektrische energie rechtstreeks uit levende, zelfvoorzienende chemische reacties beloven goedkopere alternatieven voor fossiele brandstoffen.

Om een ​​snellere energieomzetting in deze cellen mogelijk te maken, wetenschappers verspreiden nanodeeltjes gemaakt van speciale metalen die 'edele' metalen worden genoemd, bijvoorbeeld goud, zilver en platina langs het oppervlak van een elektrode. Deze metalen reageren niet zo chemisch als andere metalen op macroschaal, maar hun atomen reageren beter op nanoschaal. Nanodeeltjes gemaakt van deze metalen werken als een katalysator, het verhogen van de snelheid van de noodzakelijke chemische reactie die elektronen vrijmaakt uit de brandstof. Terwijl de nanodeeltjes op de elektrode worden gesputterd, pletten ze samen als stopverf, grotere clusters vormen. Deze neiging tot verdichting, sinteren genoemd, vermindert het totale oppervlak dat beschikbaar is voor moleculen van de brandstof om te interageren met de katalytische nanodeeltjes, waardoor ze hun volledige potentieel in deze brandstofcellen niet kunnen benutten.

Onderzoek door de Nanoparticles by Design Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), in samenwerking met het SLAC National Laboratory in de VS en het Oostenrijkse Centrum voor Elektronenmicroscopie en Nanoanalyse, heeft een manier ontwikkeld om te voorkomen dat nanodeeltjes van edele metalen verdichten, door ze afzonderlijk in te kapselen in een poreuze schaal gemaakt van metaaloxide. De OIST-onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Nanoscale. Hun werk heeft directe toepassingen op het gebied van nanokatalyse voor de productie van efficiëntere brandstofcellen.

De OIST-onderzoekers ontwierpen een nieuw systeem. Ze kapselden Palladium-nanodeeltjes in een omhulsel van magnesiumoxide. Vervolgens verspreidden ze deze kern-schil-combinatie op een elektrode en maten het vermogen van de ondergedompelde elektrode om de snelheid van de elektrochemische reactie die optreedt in methanolbrandstofcellen te verbeteren. Ze toonden aan dat ingekapselde Palladium-nanodeeltjes aanzienlijk betere prestaties leveren dan kale Palladium-nanodeeltjes.

De OIST-onderzoekers hadden zich eerder gerealiseerd dat magnesiumoxide-nanodeeltjes poreuze schillen rond nanodeeltjes van edelmetaal konden vormen terwijl ze magnesium- en palladium-nanodeeltjes afzonderlijk bestudeerden. De porositeit van dit toegevoegde pantser zorgt ervoor dat moleculen van de brandstof het ingekapselde palladium niet kunnen bereiken. Elektronenmicroscopiebeelden bevestigden dat de magnesiumoxide-omhulling eenvoudigweg fungeert als een afstandhouder tussen de palladium-kernen terwijl ze aan elkaar proberen te kleven, zodat elk zijn volledige reactieve potentieel kan realiseren.

Het geavanceerde depositiesysteem voor nanodeeltjes bij OIST stelde de onderzoekers in staat om de experimentele parameters te verfijnen en de dikte van de inkapseling te variëren, evenals het aantal Palladium-nanodeeltjes in de kern met relatief gemak. Het afstemmen van afmetingen en structuren van nanodeeltjes verandert hun fysische en chemische eigenschappen voor verschillende toepassingen.

"Met onze techniek kunnen meer kern-schaalcombinaties worden geprobeerd, met metalen die goedkoper zijn dan bijvoorbeeld Palladium, zoals nikkel of ijzer. Onze resultaten tonen voldoende belofte om in deze nieuwe richting door te gaan, " zei Vidyadhar Singh, de eerste auteur van de krant, en postdoctoraal onderzoeker onder supervisie van Prof. Mukhles Sowwan, de directeur van OIST's Nanoparticles by Design Unit, die ook een corresponderende auteur van het papier was.