Afstembare metal -nanostrukturer til brændselsceller, batterier og solenergi

(PhysOrg.com) -- For katalysatorer i brændselsceller og elektroder i batterier, ingeniører vil gerne fremstille metalfilm, der er porøse, at gøre mere overfladeareal tilgængeligt for kemiske reaktioner, og meget ledende, at afbryde strømmen. Sidstnævnte har været en frustrerende udfordring.

Men Cornell-kemikere har nu udviklet en måde at lave porøse metalfilm med op til 1, 000 gange den elektriske ledningsevne, der tilbydes ved tidligere metoder. Deres teknik åbner også døren til at skabe en bred vifte af metal nanostrukturer til tekniske og biomedicinske applikationer, sagde forskerne.

Resultaterne af flere års eksperimenter er beskrevet 18. marts online-udgave af tidsskriftet Naturmaterialer .

"Vi har nået hidtil usete niveauer af kontrol med sammensætningen, nanostruktur og funktionalitet -- f.eks. ledningsevne - af de resulterende materialer, alt sammen med en simpel 'one-pot' blanding-og-varme tilgang, " sagde seniorforfatter Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i ingeniørvidenskab.

Den nye metode bygger på "sol-gel processen, " allerede kendt af kemikere. Visse forbindelser af silicium blandet med opløsningsmidler vil selv samle sig til en struktur af siliciumdioxid (dvs. glas) honeycombed med nanometer-skalerede porer. Udfordringen for forskerne var at tilføje metal for at skabe en porøs struktur, der leder elektricitet.

For omkring 10 år siden, Wiesners forskningsgruppe, samarbejder med Cornell Fuel Cell Institute, forsøgt at bruge sol-gel-processen med katalysatorerne, der trækker protoner af brændstofmolekyler for at generere elektricitet. De havde brug for materialer, der ville passere høj strøm, men tilsætning af mere end en lille mængde metal forstyrrede sol-gel-processen, forklarede Scott Warren, første forfatter til Naturmaterialer papir.

Warren, der dengang var ph.d. studerende i Wiesners gruppe og er nu forsker ved Northwestern University, ramt på ideen om at bruge en aminosyre til at forbinde metalatomer til silicamolekyler, fordi han havde indset, at den ene ende af aminosyremolekylet har en affinitet for silica og den anden ende for metaller.

"Hvis der var en måde at direkte fastgøre metallet til silicagel-gel-forløberen, ville vi forhindre denne faseseparation, der forstyrrede selvmonteringsprocessen, "forklarede han.

Det umiddelbare resultat er en nanostruktur af metal, silica og kulstof, med meget mere metal, end det havde været muligt før, stærkt øget ledningsevne. Silica og kulstof kan fjernes, efterlader porøst metal. Men en silica-metalstruktur ville holde sin form ved de høje temperaturer, der findes i nogle brændselsceller, Warren bemærkede, og fjernelse af kun silica for at efterlade et kulstof-metalkompleks giver andre muligheder, inklusive større porer.

Forskerne rapporterer en lang række eksperimenter, der viser, at deres proces kan bruges til at lave "et bibliotek af materialer med en høj grad af kontrol over sammensætning og struktur." De har bygget strukturer af næsten alle metal i det periodiske system, og med yderligere kemi kan "tune" dimensionerne af porer i et område fra 10 til 500 nanometer. De har også lavet metalfyldte silicananopartikler små nok til at blive indtaget og udskilt af mennesker, med mulige biomedicinske anvendelser. Wiesners gruppe er også kendt for at skabe "Cornell dots, "som indkapsler farvestoffer i silica nanopartikler, så en mulig fremtidig anvendelse af sol-gel processen kan være at bygge Graetzel solceller, som indeholder lysfølsomme farvestoffer. Michael Graetzel fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne og innovator af Graetzel-cellen er medforfatter af det nye papir. Målingen af ​​den rekordsættende elektriske ledningsevne blev udført i hans laboratorium.

Forskningen er blevet støttet af Department of Energy og, gennem flere kanaler, National Science Foundation.