MIT-onderzoekers en collega's hebben een manier gedemonstreerd om nauwkeurig de grootte, samenstelling en andere eigenschappen van nanodeeltjes te controleren die essentieel zijn voor de reacties die betrokken zijn bij een verscheidenheid aan schone energie- en milieutechnologieën. Ze deden dit door gebruik te maken van ionenbestraling, een techniek waarbij bundels geladen deeltjes een materiaal bombarderen.

Ze toonden verder aan dat op deze manier gemaakte nanodeeltjes superieure prestaties leveren ten opzichte van hun conventioneel gemaakte tegenhangers.

"De materialen waaraan we hebben gewerkt zouden verschillende technologieën kunnen bevorderen, van brandstofcellen tot het opwekken van CO₂ -gratis elektriciteit voor de productie van schone waterstofgrondstoffen voor de chemische industrie [via elektrolysecellen]", zegt Bilge Yildiz, leider van het werk en professor bij MIT's Department of Nuclear Science and Engineering en Department of Materials Science and Engineering.

Kritische katalysator

Brandstof- en elektrolysecellen omvatten beide elektrochemische reacties via drie hoofdonderdelen:twee elektroden (een kathode en een anode), gescheiden door een elektrolyt. Het verschil tussen de twee cellen is dat de betrokken reacties omgekeerd verlopen.

De elektroden zijn bedekt met katalysatoren, oftewel materialen die ervoor zorgen dat de reacties sneller verlopen. Maar een kritische katalysator gemaakt van metaaloxidematerialen wordt beperkt door uitdagingen zoals een lage duurzaamheid. "De metaalkatalysatordeeltjes worden grover bij hoge temperaturen, waardoor je oppervlakte en activiteit verliest", zegt Yildiz, die ook verbonden is aan het Materials Research Laboratory en auteur is van een artikel over het werk gepubliceerd in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen .

Voer metaalexsolution in, waarbij metalen nanodeeltjes uit een gastheeroxide op het oppervlak van de elektrode worden neergeslagen. De deeltjes nestelen zich in de elektrode, "en die verankering maakt ze stabieler", zegt Yildiz. Als gevolg hiervan heeft exsolution "geleid tot opmerkelijke vooruitgang op het gebied van de conversie van schone energie en energie-efficiënte computerapparatuur", schrijven de onderzoekers in hun paper.

Het controleren van de precieze eigenschappen van de resulterende nanodeeltjes was echter moeilijk. "We weten dat exsolutie ons stabiele en actieve nanodeeltjes kan opleveren, maar het uitdagende deel is eigenlijk om deze onder controle te houden. Het nieuwe aan dit werk is dat we een hulpmiddel hebben gevonden - ionenbestraling - dat ons die controle kan geven", zegt Jiayue. Wang, eerste auteur van het artikel. Wang, die het werk uitvoerde terwijl hij zijn MIT Ph.D. bij de afdeling Nucleaire Wetenschappen en Techniek, is nu een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford.

Sossina Haile is Walter P. Murphy hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Northwestern University. Haile, die niet betrokken was bij het huidige werk, zegt:“Metallische nanodeeltjes dienen als katalysatoren in een hele reeks reacties, waaronder de belangrijke reactie van het splitsen van water om waterstof te genereren voor energieopslag. In dit werk hebben Yildiz en collega’s een ingenieuze oplossing gecreëerd. methode om de manier waarop nanodeeltjes ontstaan ​​te controleren."

Haile vervolgt:“de gemeenschap heeft aangetoond dat exsolutie resulteert in structureel stabiele nanodeeltjes, maar het proces is niet gemakkelijk te controleren, dus je krijgt niet noodzakelijkerwijs het optimale aantal en de optimale grootte van de deeltjes. Met behulp van ionenbestraling was deze groep in staat om nauwkeurig controle over de kenmerken van de nanodeeltjes, wat resulteert in een uitstekende katalytische activiteit voor het splitsen van water."

Wat ze deden

De onderzoekers ontdekten dat door een straal ionen op de elektrode te richten en tegelijkertijd metalen nanodeeltjes op het oppervlak van de elektrode los te laten, ze verschillende eigenschappen van de resulterende nanodeeltjes konden controleren.

"Door middel van ion-materie-interacties hebben we met succes de grootte, samenstelling, dichtheid en locatie van de opgeloste nanodeeltjes ontwikkeld", schrijft het team in Energy &Environmental Science .

Ze zouden de deeltjes bijvoorbeeld veel kleiner kunnen maken – tot wel twee miljardste van een meter in diameter – dan de deeltjes die gemaakt zijn met alleen conventionele thermische exsolutiemethoden. Verder konden ze de samenstelling van de nanodeeltjes veranderen door ze te bestralen met specifieke elementen. Ze demonstreerden dit met een straal nikkelionen die nikkel in het opgeloste metalen nanodeeltje implanteerden. Als gevolg hiervan demonstreerden ze een directe en gemakkelijke manier om de samenstelling van opgeloste nanodeeltjes te manipuleren.

"We willen nanodeeltjes met meerdere elementen, of legeringen, omdat deze meestal een hogere katalytische activiteit hebben", zegt Yildiz. "Met onze aanpak hoeft het exsolutiedoel niet afhankelijk te zijn van het substraatoxide zelf." Bestraling opent de deur naar nog veel meer composities. "We kunnen vrijwel elk oxide en elk ion kiezen waarmee we kunnen bestralen en dat oplossen", zegt Yildiz.

Het team ontdekte ook dat ionenbestraling defecten in de elektrode zelf veroorzaakt. En deze defecten zorgen voor extra kiemplaatsen, of plekken waar de opgeloste nanodeeltjes kunnen groeien, waardoor de dichtheid van de resulterende nanodeeltjes toeneemt.

Bestraling zou ook extreme ruimtelijke controle over de nanodeeltjes mogelijk kunnen maken. "Omdat je de ionenbundel kunt focusseren, kun je je voorstellen dat je ermee kunt 'schrijven' om specifieke nanostructuren te vormen", zegt Wang. "We hebben daar een voorlopige demonstratie van gegeven, maar we geloven dat het potentieel heeft om goed gecontroleerde micro- en nanostructuren te realiseren."

Het team toonde ook aan dat de nanodeeltjes die ze creëerden met ionenbestraling een superieure katalytische activiteit hadden dan de nanodeeltjes die alleen door conventionele thermische exsolutie ontstonden.

Meer informatie: Jiayue Wang et al, Ionenbestraling om de grootte, samenstelling en dispersie van exsolution van metalen nanodeeltjes te controleren, Energie- en milieuwetenschappen (2023). DOI:10.1039/D3EE02448B

Journaalinformatie: Energie- en milieuwetenschappen

Aangeboden door Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology