Platinnanopartikler organiserer sig i specifikke mønstre, når de bindes til fritstående grafen

Fysikere har fundet ud af, at platinnanopartikler begrænser deres størrelse og organiserer sig i specifikke mønstre, når de bindes til fritstående grafen.

Mens du viser denne adfærd, de bundne platinnanopartikler opretholder et effektivt overfladeareal, der fungerer som en katalysator for kemiske reaktioner, en opdagelse, der kan sænke produktionsomkostningerne for platinkatalyserede brændselsceller.

Et internationalt hold af forskere, ledet af en forskergruppe ved University of Arkansas, offentliggjorde sine resultater den 5. februar i tidsskriftet ACS Nano , i et papir med titlen, "Selvorganiserede platinnanopartikler på fritstående grafen."

Undersøgelsen blev ledet af Peng Xu, en forskningsmedarbejder i afdelingen for fysik i J. William Fulbright College of Arts and Sciences ved University of Arkansas.

Platin-katalyserede brændselsceller bruges til at drive bygninger som erstatning for forbrændingsmotorer i køretøjer.

"Fordi platin er et sjældent metal, En stor del af udgifterne til fremstilling af hybridbiler kommer fra det platin, der er nødvendigt for at katalysere brændselsceller, " sagde Paul Thibado, professor i fysik ved University of Arkansas.

"Platin, når den placeres på faste overflader, diffunderer og danner tilfældige partikler, der vokser ukontrolleret, og det begrænser deres reaktivitet, sagde han. På den anden side, Fritstående grafen har en meget fleksibel overflade, og det fandt vi ud af, på grund af lokale belastningseffekter, der er en 80 procent reduktion i mængden af ​​platin, der er nødvendig for at opretholde en effektiv katalyse."

Forskningen viser også, for første gang, at en funktionelt overlegen, enkelt-krystal platin nanopartikel opstår fra dens anvendelse på grafen.

"Det, vi fandt, var ret spændende, " sagde Thibado. "Det er virkelig ret specielt."

Grafen - en af ​​de stærkeste, letteste og mest ledende materialer kendt - er en et-atom-tyk plade af kulstofatomer. Elektroner, der bevæger sig gennem grafit, har masse og møder modstand, men elektroner, der bevæger sig gennem grafen, er masseløse og møder derfor meget mindre modstand. Dette gør grafen til et fremragende kandidatmateriale til fremtidige energibehov, samt i kvanteberegninger til enorme beregninger med ringe energiforbrug.

Grafen blev opdaget i 2004, og meget er stadig ukendt om dets egenskaber. Thibados gruppe bruger billeddannelse og manipulation i atomskala til at fremme anvendelsen af ​​både uberørt og kemisk funktionaliseret grafen, gennem udvikling af en detaljeret forståelse af dets grundlæggende elektroniske og mekaniske egenskaber.

Den nylige undersøgelse, som primært blev produceret gennem et forskningspartnerskab mellem University of Arkansas, Missouri State University og University of Antwerpen i Belgien, bestod af højopløsningstransmissionselektronmikroskopi kombineret med scanning tunneling mikroskopi og state-of-the-art beregningsmæssig molekylær dynamik. Det er en kombination, der sjældent ses i fysik, sagde Thibado, en ekspert i eksperimentel kondenseret stoffysik.

Scanning tunneling mikroskopi, som producerer billeder af individuelle atomer på en overflade, blev brugt til at se opførselen af ​​platinnanopartiklerne på grafen. Forskere i Missouri brugte transmissionselektronmikroskopi, en teknik, hvor en stråle af elektroner transmitteres gennem et ultratyndt materiale, for at bekræfte de krystallinske egenskaber.

Sammenlægningen af ​​begge eksperimentelle teknikker med teoretisk modellering gav et uventet resultat for forskerne:bindingen af ​​grafen til platinnanopartiklerne var usædvanlig, ifølge Thibado.

"Fordi den er så stærk og fleksibel, grafen vikler sig typisk omkring materialet, som det binder til, " sagde Thibado. "I dette tilfælde, bindingen med platin var helt anderledes, mere som en pyramide."