Forskere forvandler en nikkelrig nanopartikel til en platinrig nanoramme

(Phys.org) – I hundreder af år, alkymister har forsøgt at forvandle uædle metaller til ædle metaller. Selvom de måske aldrig forvandler bly til guld, forskere har opdaget en måde at omdanne en nikkelrig nanopartikel til en platinrig "nanoramme", der kunne forme udviklingen af ​​brændselsceller og andre elektrokemiske teknologier.

Forskere ved det amerikanske energiministeriums Argonne National Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory gik sammen om at omdanne platin-nikkel polyedre til bare rammer, der havde et meget rigere platinindhold. Argonne fysisk kemiker Vojislav Stamenkovic, og Lawrence Berkeley-forsker og UC Berkeley-professor Peidong Yang ledede forskerholdet, der har givet videnskabsfolk en ny tilgang til katalyse.

"Polyedre har været de sædvanlige nanostrukturer brugt i årtier til katalyseforskning, " sagde Stamenkovic. "Vores forskning viser, at der kan være andre muligheder tilgængelige."

Platin er et meget aktivt katalytisk middel, gør det ønskeligt for forskere, der søger efter nye materialer til brændselsceller og metal-luft-batterier, blandt andre teknologier. Desværre, på grund af sin sjældne og dyre natur, forskere har været nødt til at finde måder at bruge det så effektivt som muligt. I polyederkonfigurationen, mange af de værdsatte platinatomer var begravet og uopnåelige i hovedparten af ​​nanopartiklerne.

Ved at erodere indersiden af ​​nanopartiklerne ved hjælp af en kemisk proces, forskerne var i stand til at skabe en nanoramme – et skelet af det originale polyeder, der bibeholdt de relativt platinrige kanter. Mens det oprindelige polyeder bestod af tre nikkelatomer for hver platin, nanoframes havde, gennemsnitlig, de omvendte proportioner.

Valget om at bruge nanoframes i modsætning til polyedre gav forskerne en yderligere stor fordel. I stedet for at skulle komme i kontakt med overfladen af ​​nanopartikler, katalyserede molekyler kunne kontakte det fra enhver retning overhovedet - inklusive det, der plejede at være indersiden af ​​strukturen. Dette øgede det tilgængelige overfladeareal for reaktioner.

"Med rammer, vi åbnede fuldstændig strukturen og slap af med de begravede ikke-funktionelle bulkatomer. Der er stadig et betydeligt antal aktive steder på nanoframes, som kan nås fra enhver retning, " sagde Stamenkovic.

Efter at have eroderet materialet, Argonne og Berkeleys videnskabsmænd ønskede at sikre dens stabilitet i de barske, meget krævende elektrokemisk miljø. For at gøre det, de skabte et "andet skin" af platin over nanorammen, øge dens holdbarhed.

Ifølge Yang, nanokatalysatorrammerne byder på en række fordele. "I modsætning til andre synteseprocedurer for hule nanostrukturer, der involverer korrosion induceret af skrappe oxidationsmidler eller påført potentiale, vores metode forløber spontant i luften, " sagde han. "Den åbne struktur af vores platin/nikkel nanoframes adresserer nogle af de vigtigste designkriterier for avancerede nanoskala elektrokatalysatorer, inklusive højt overflade-til-volumen-forhold, 3D overflade molekylær tilgængelighed og væsentligt reduceret ædelmetaludnyttelse."

"Vores resultater beskriver en ny klasse af materialer baseret på den hule nanoframes åbne arkitektur og dens veldefinerede overfladesammensætningsprofil, Stamenkovic tilføjede. "Teknikken til fremstilling af disse hule nanoframes kan let anvendes på andre multimetalliske elektrokatalysatorer eller gasfasekatalysatorer. Vi er ret optimistiske med hensyn til dets kommercielle levedygtighed."

Et papir baseret på forskningen med titlen "Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces" vises i 27. februar-udgaven af Science Express og vil snart blive offentliggjort Videnskab .