Belysning af nanopartikelvækst med røntgenstråler

Brintbrændselsceller er en lovende teknologi til at producere ren og vedvarende energi, men omkostningerne og aktiviteten af ​​deres katodematerialer er en stor udfordring for kommercialisering. Mange brændselsceller kræver dyre platinbaserede katalysatorer - stoffer, der initierer og fremskynder kemiske reaktioner - for at hjælpe med at omdanne vedvarende brændstoffer til elektrisk energi. For at gøre brintbrændselsceller kommercielt levedygtige, forskere søger efter mere overkommelige katalysatorer, der giver samme effektivitet som ren platin.

"Som et batteri, brintbrændselsceller omdanner lagret kemisk energi til elektricitet. Forskellen er, at du bruger et genopfyldeligt brændstof, så i princippet, det 'batteri' ville holde evigt, " sagde Adrian Hunt, en videnskabsmand ved National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved DOE's Brookhaven National Laboratory. "At finde en billig og effektiv katalysator til brintbrændselsceller er dybest set den hellige gral for at gøre denne teknologi mere gennemførlig."

At deltage i denne verdensomspændende søgen efter brændselscellekatodematerialer, forskere ved University of Akron udviklede en ny metode til at syntetisere katalysatorer fra en kombination af metaller - platin og nikkel - der danner oktaedriske (ottesidede) formede nanopartikler. Mens forskere har identificeret denne katalysator som en af ​​de mest effektive erstatninger for ren platin, de har ikke helt forstået, hvorfor den vokser i oktaedrisk form. For bedre at forstå vækstprocessen, forskerne ved University of Akron samarbejdede med flere institutioner, herunder Brookhaven og dens NSLS-II.

"Forståelse af, hvordan den facetterede katalysator dannes, spiller en nøglerolle i etableringen af ​​dens struktur-egenskabskorrelation og design af en bedre katalysator, " sagde Zhenmeng Peng, hovedefterforsker af katalyselaboratoriet ved University of Akron. "Vækstprocessen for platin-nikkel-systemet er ret sofistikeret, så vi samarbejdede med flere erfarne grupper for at løse udfordringerne. De banebrydende teknikker på Brookhaven National Lab var til stor hjælp til at studere dette forskningsemne."

Ved at bruge de ultraklare røntgenstråler ved NSLS-II og de avancerede funktioner i NSLS-II's In situ og Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) beamline, forskerne afslørede den kemiske karakterisering af katalysatorens vækstvej i realtid. Deres resultater er offentliggjort i Naturkommunikation .

"Vi brugte en forskningsteknik kaldet omgivende tryk røntgenfotoelektronspektroskopi (AP-XPS) til at studere overfladesammensætningen og den kemiske tilstand af metallerne i nanopartiklerne under vækstreaktionen, " sagde Iradwikanari Waluyo, ledende videnskabsmand ved IOS og en med-korresponderende forfatter til forskningspapiret. "I denne teknik, vi retter røntgenstråler mod en prøve, som får elektroner til at blive frigivet. Ved at analysere energien af ​​disse elektroner, vi er i stand til at skelne de kemiske grundstoffer i prøven, såvel som deres kemiske og oxidationstilstande."

Jage, som også er forfatter på avisen, tilføjet, "Det svarer til den måde, hvorpå sollys interagerer med vores tøj. Sollys er nogenlunde gult, men når det rammer en persons skjorte, du kan se om skjorten er blå, rød, eller grøn."

I stedet for farver, forskerne identificerede kemisk information på overfladen af ​​katalysatoren og sammenlignede den med dens indre. De opdagede, at under vækstreaktionen, metallisk platin dannes først og bliver kernen i nanopartiklerne. Derefter, når reaktionen når en lidt højere temperatur, platin hjælper med at danne metallisk nikkel, som senere adskiller sig til overfladen af ​​nanopartiklerne. I de sidste stadier af vækst, overfladen bliver nogenlunde en ligelig blanding af de to metaller. Denne interessante synergistiske effekt mellem platin og nikkel spiller en væsentlig rolle i udviklingen af ​​nanopartiklernes oktaedriske form, samt dens reaktivitet.

"Det gode ved disse fund er, at nikkel er et billigt materiale, hvorimod platin er dyrt, Hunt sagde. hvis nikkel på overfladen af ​​nanopartikler katalyserer reaktionen, og disse nanopartikler er stadig mere aktive end platin i sig selv, så forhåbentlig med mere forskning, vi kan finde ud af den mindste mængde platin der skal tilføjes og stadig få den høje aktivitet, skabe en mere omkostningseffektiv katalysator."

Resultaterne afhang af de avancerede funktioner i IOS, hvor forskerne var i stand til at køre forsøgene ved gastryk højere end hvad der normalt er muligt i konventionelle XPS-forsøg.

"Hos IOS, vi var i stand til at følge ændringer i nanopartiklernes sammensætning og kemiske tilstand i realtid under de reelle vækstbetingelser, " sagde Waluyo.

Yderligere røntgen- og elektronbilleddannelsesundersøgelser afsluttet ved Advanced Photon Source (APS) ved DOE's Argonne National Laboratory - en anden DOE Office of Science User Facility - og University of California-Irvine, henholdsvis, supplerede arbejdet på NSLS-II.

"Dette grundlæggende arbejde fremhæver den betydelige rolle, som segregeret nikkel spiller i dannelsen af ​​den oktaedriske katalysator. Vi har opnået mere indsigt i formkontrol af katalysatornanopartikler, " sagde Peng. "Vores næste skridt er at studere de katalytiske egenskaber af de facetterede nanopartikler for at forstå sammenhængen mellem struktur og egenskab."