De første metalliske nanopartikler, der er modstandsdygtige over for ekstrem varme

Et team fra University of Pittsburgh overvandt en stor forhindring, der plagede udviklingen af ​​nanomaterialer, såsom dem, der kunne føre til mere effektive katalysatorer, der bruges til at producere brint og gøre bilers udstødning mindre giftig. Forskerne rapporterede 29. november i Naturmaterialer den første demonstration af højtemperaturstabilitet i metalliske nanopartikler, de berygtede næste generations materialer hæmmet af en sårbarhed over for ekstrem varme.

Götz Veser, en lektor og CNG Faculty Fellow i kemi- og petroleumsteknik ved Pitt's Swanson School of Engineering, og Anmin Cao, avisens hovedforfatter og en postdoc-forsker i Vesers laboratorium, skabt metallegeringspartikler i intervallet 4 nanometer, der kan modstå temperaturer på mere end 850 grader Celsius, mindst 250 grader mere end typiske metalliske nanopartikler. Smedet af de katalytiske metaller platin og rhodium, de meget reaktive partikler virker ved at dumpe deres varmefølsomme komponenter, når temperaturen stiger, en kvalitets Cao sammenlignes med en gekko, der fælder halen i selvforsvar.

"Den naturlige ustabilitet af partikler i denne skala er en hindring for mange applikationer, fra sensorer til brændstofproduktion, " sagde Veser. "Nanopartiklernes fantastiske potentiale til at åbne helt nye felter og give mulighed for dramatisk mere effektive processer er blevet vist i laboratorieapplikationer, men meget lidt af det er blevet oversat til det virkelige liv på grund af sådanne problemer som varmefølsomhed. For at vi kan høste fordelene ved nanopartikler, de skal modstå de barske forhold ved faktisk brug."

Veser og Cao præsenterer en original tilgang til stabilisering af metalliske katalysatorer mindre end 5 nanometer. Materialer inden for dette størrelsesområde har et større overfladeareal og tillader næsten total partikeludnyttelse, giver mulighed for mere effektive reaktioner. Men de smelter også sammen ved omkring 600 grader Celsius - lavere end sædvanlige reaktionstemperaturer for mange katalytiske processer - og bliver for store. Forsøg på at stabilisere metallerne har involveret at indkapsle dem i varmebestandige nanostrukturer, men de mest lovende metoder blev kun demonstreret i intervallet 10 til 15 nanometer, skrev Cao. Veser har selv designet oxidbaserede nanostrukturer, der stabiliserede partikler helt ned til 10 nanometer.

Til forskningen i Naturmaterialer , han og Cao blandede platin og rhodium, som har et højt smeltepunkt. De testede legeringen via en metanforbrændingsreaktion og fandt ud af, at kompositten ikke kun var en meget reaktiv katalysator, men at partiklerne holdt en gennemsnitlig størrelse på 4,3 nanometer, selv under længerevarende udsættelse for 850 graders varme. Faktisk, små mængder 4 nanometer partikler tilbage, efter at temperaturen nåede 950 grader Celsius, selvom størstedelen var balloneret til otte gange så stor størrelse.

Veser og Cao var overraskede over at opdage, at legeringen ikke bare kunne tåle varmen. Det ofrede i stedet det lavtolerance platin og rekonstituerede sig selv som en rhodiumrig katalysator for at afslutte reaktionen. Ved omkring 700 grader celsius, platin-rhodium-legeringen begyndte at smelte. Platinet "blødte" fra partiklen og dannede større partikler med andre vildfarne platin, efterlader de mere holdbare legerede partikler at forvitre. Veser og Cao forudsagde, at denne selvstabilisering ville forekomme for alle metalkatalysatorer legeret med et sekund, mere holdbart metal.

Kilde:University of Pittsburgh