Størrelse har betydning for nanokrystallers evne til at adsorbere, frigive gasser

Mere effektive katalysatorer på biler, forbedrede batterier og mere følsomme gassensorer er nogle af de potentielle fordele ved et nyt system, der direkte kan måle den måde, hvorpå nanokrystaller adsorberer og frigiver brint og andre gasser.

Teknikken, som blev udviklet af Vanderbilt University Assistant Professor of Chemical and Biomolecular Engineering Rizia Bardhan, er beskrevet i et papir offentliggjort online 4. august af tidsskriftet Naturmaterialer .

I de sidste 30 år, der har været en enorm mængde forskning, der studerede nanokrystaller – bittesmå krystaller på mellem 1 og 100 nanometer i størrelse (en nanometer er til en tomme, hvad en tomme er til 400 miles) – på grund af forventningen om, at de har unikke fysiske og kemiske egenskaber, som kan bruges i en bred vifte af applikationer.

En klasse af applikationer afhænger af nanokrystallers evne til at fange specifikke molekyler og partikler ud af luften, hold fast i dem og slip dem derefter:en proces kaldet adsorption og desorption. Fremskridt på dette område er blevet hindret af begrænsninger i eksisterende metoder til at måle de fysiske og kemiske ændringer, der finder sted i individuelle nanokrystaller under processen. Som resultat, fremskridt er opnået ved forsøg og fejl og har været begrænset til konstruerede prøver og specifikke geometrier.

"Vores teknik er enkel, direkte og bruger hyldevareinstrumenter, så andre forskere burde ikke have problemer med at bruge det, " sagde Bardhan. Samarbejdspartnere i udviklingen var Vanderbilt Assistant Professor of Mechanical Engineering Cary Pint, Ali Javey fra University of California, Berkeley og Lester Hedges, Stephen Whitelam og Jeffrey Urban fra Lawrence Berkeley National Laboratory.

Metoden er baseret på en standardprocedure kaldet fluorescensspektroskopi. En laserstråle er fokuseret på mål -nanokrystaller, får dem til at fluorescere. Når nanokrystallerne adsorberer gasmolekylerne, styrken af ​​deres fluorescerende dæmper, og når de frigiver gasmolekylerne, det kommer sig.

"Fluorescenseffekten er meget subtil og meget følsom over for forskelle i nanokrystalstørrelse, "forklarede hun." For at se det skal du bruge nanokrystaller, der er ensartede i størrelsen. "Det er en af ​​grundene til, at effekten ikke blev observeret før:Fremstillingsteknikker såsom kuglefræsning og andre vådkemiske tilgange, der har været meget udbredt, producerer nanokrystaller i en række forskellige størrelser. Disse forskelle er nok til at maskere effekten.

For at teste deres teknik, forskerne studerede brintgassensing med nanokrystaller lavet af palladium. De vælger palladium, fordi det er meget stabilt, og det frigiver let adsorberet brint. De brugte brint på grund af interessen i at bruge det som erstatning for benzin. En af de største tekniske forhindringer for dette scenarie er at udvikle en sikker og omkostningseffektiv opbevaringsmetode. Et nanokrystalbaseret metalhydridsystem er en af ​​de lovende tilgange under udvikling.

De målinger, de foretog, afslørede, at størrelsen af ​​nanokrystallerne har en meget stærkere effekt på den hastighed, hvormed materialet kan adsorbere og frigive brint, og mængden af ​​brint, som materialet kan absorbere, end tidligere forventet – alle nøgleegenskaber for et brintlagringssystem. Jo mindre partikelstørrelsen er, jo hurtigere materialet kan absorbere gassen, jo mere gas den kan absorbere og hurtigere kan den frigive den.

"I fortiden, folk troede, at størrelseseffekten var begrænset til størrelser mindre end 15 til 20 nanometer, men vi fandt ud af, at den strækker sig op til 100 nanometer, sagde Bardhan.

Forskerne fastslog også, at adsorptions-/desorptionshastigheden blev bestemt af kun tre faktorer:tryk, temperatur og nanokrystalstørrelse. De fandt ikke, at yderligere faktorer såsom defekter og belastning havde en signifikant effekt som tidligere foreslået. Baseret på disse nye oplysninger, de skabte en simpel computersimulering, der kan forudsige adsorptions-/desorptionshastigheder af forskellige typer og størrelsesområder for nanokrystaller med en række forskellige gasser.

"Dette gør det muligt at optimere en bred vifte af nanokrystalapplikationer, herunder brintlagringssystemer, katalysatorer, batterier, brændselsceller og superkondensatorer, " sagde Bardhan.