For at lave bedre brændselsceller, studere defekterne

Ingeniører, der forsøger at forbedre brændselscellekatalysatorer, kigger muligvis det forkerte sted, ifølge ny forskning hos Cornell.

Der er stigende interesse for at danne de katalysatorer, der nedbryder brændstof til at generere elektricitet til nanopartikler. Nanopartikler giver et større overfladeareal for at fremskynde reaktioner, og i nogle tilfælde, materialer, der ikke er katalytiske i bulk, bliver det på nanoskala.

Disse nanopartikler, typisk kun et par snesevis af nanometer (nm) bred, er ikke pæne små kugler, men snarere takkede bidder, som mikroskala grus, og forskere har fundet ud af, at de kan korrelere katalytisk aktivitet med information om antallet og typen af ​​deres overfladefacetter. Men de kigger måske på skoven og ignorerer træerne.

"Folk måler aktiviteten af ​​en prøve og forsøger derefter at forstå ved at bruge facetinformation, " sagde Peng Chen, lektor i kemi og kemisk biologi. "Det budskab, vi ønsker at levere, er, at overfladedefekter [på facetterne] dominerer katalysen."

Chens forskning er rapporteret 19. februar i online-udgaven af ​​tidsskriftet Natur nanoteknologi .

I stedet for partikler, Chens forskergruppe studerede katalytiske hændelser på guld "nanorods" op til 700 nm lange, effektivt at lade dem se, hvordan aktivitet varierer over en enkelt facet. Guld fungerer som en katalysator til at omdanne et kemikalie kaldet Amplex Red til resorufin, som er fluorescerende.

Hver gang en katalytisk hændelse indtræffer, det nyoprettede molekyle af resorufin udsender et lysglimt, der registreres af et digitalkamera, der kigger gennem et mikroskop. Et blitz vises typisk som flere pixels, og yderligere computerbehandling beregner deres lysstyrke i gennemsnit for at lokalisere den faktiske hændelse inden for få nanometer. Forskerne kalder teknikken "superopløsningsmikroskopi." Efter at have oversvømmet et felt af nanorods med en opløsning af Amplex Red, de lavede en "film" med et billede hvert 25. millisekund.

Forskerne fandt flere katalytiske hændelser nær midten af ​​en stang, aftagende mod enderne og et hop op igen i enderne. De fandt også variation i mængden af ​​aktivitet fra en stang til en anden, selvom alle stængerne har de samme typer facetter.

For at forklare resultaterne, de foreslog, at aktiviteten er højere i områder, hvor der er flere overfladedefekter. Nanoroderne er lavet ved at dyrke guldkrystaller fra en lille "frø"-krystal, vokser udad fra midten til enderne, Chen forklarede, og flere defekter dannes i begyndelsen af ​​processen.

"Kendskab til overfladens facetter ... er utilstrækkelig til at forudsige reaktivitet, " sagde forskerne i deres papir. "Overfladedefekter ... kan også spille en dominerende rolle."

Resultaterne med en guldkatalysator og fluorescerende molekyler bør være lige så anvendelige for andre katalysatorer, herunder dem, der anvendes i brændselsceller og til forureningsoprensning, sagde Chen.