Indblik i potentielle substitutter for dyr platin i brændselscellekatalysatorer

Platinums knaphed forhindrer udbredt brug af brændselsceller, som leverer strøm effektivt og uden forurenende stoffer. Udskiftning af noget eller hele dette sjældne og dyre metal med almindelige metaller i en reaktiv, stærkt afstemmelig nanopartikelform kan udvide brændselscelleforbruget. På Pacific Northwest National Laboratory, forskere lavede sådanne metal-nanopartikler med en ny gasbaseret teknik og ionblød landing. Som en ekstra fordel, partiklerne er nøgne, uden et dæklag, der dækker deres overflader og reducerer deres reaktivitet.

Det er i øjeblikket ikke muligt at udskifte ineffektive og forurenende forbrændingsmotorer med brændselsceller, fordi cellerne kræver platinbaserede katalysatorer. PNNL-undersøgelsen viser, hvordan man skaber partikler med en lignende reaktivitet som platin, der erstatter nogle af platinerne med metaller, der er rigelige på jorden. Implikationerne af denne nye forberedelsesteknik rækker langt ud over brændselsceller. Det kan bruges til at skabe legeringsnanomaterialer til solceller, heterogene katalysatorer til forskellige kemiske reaktioner, og energilagringsenheder.

"Den nye metode giver forskere fin kontrol over sammensætningen og morfologien af ​​legeringsnanopartikler på overflader, "sagde Dr. Grant Johnson, en fysisk kemiker af PNNL, der ledede undersøgelsen.

Teamet skabte nanopartiklerne ved hjælp af magnetronforstøvning og gasaggregering. De placerede dem på en overflade ved hjælp af ionbløde landingsteknikker udtænkt ved PNNL. Resultatet er et lag af bare nanopartikler fremstillet af to forskellige metaller, der er fri for afdækningslag, restreaktanter, og opløsningsmiddelmolekyler, der er uundgåelige med partikler syntetiseret i opløsning.

Processen begynder, når forskerne indlæser metalskiver med en diameter på 1 tommer i et instrument, der kombinerer partikeldannelse og ionaflejring. Når metallerne først er låst fast i et vakuumkammer i aggregationsområdet, argongas indføres. I nærvær af en stor spænding bliver argonet ioniseret og fordamper metallerne ved forstøvning. Metalionerne bevæger sig gennem et afkølet område, hvor de støder sammen og hænger sammen. Resultatet er bare ioniske metal -nanopartikler, der er omkring 4 til 10 nanometer på tværs. Massespektrometeret filtrerer de ioniske partikler, fjerne dem, der ikke opfylder den ønskede størrelse. De filtrerede partikler landes derefter blødt på en valgfri overflade, såsom glasartet kulstof, et almindeligt anvendt elektrodemateriale.

Oprettelse af legeringspartikler i gasfasen giver en lang række fordele. Den konventionelle løsningsbaserede tilgang resulterer ofte i klumper af de forskellige metaller, frem for homogene nanopartikler med den ønskede form. Yderligere, partiklerne mangler et dæklag. Dette eliminerer behovet for at fjerne disse lag og rense partiklerne, hvilket gør dem mere effektive at bruge.

"En vigtig fordel er, at det giver os mulighed for at omgå visse termodynamiske begrænsninger, der opstår, når partiklerne dannes i opløsning, "sagde Johnson." Dette giver os mulighed for at skabe legeringer med konsistente elementære bestanddele og konformation. Desuden, den kinetisk begrænsede gasfasemetode muliggør også aflejring af mellemarter, der ville reagere væk i opløsning. "

Dækningen af ​​den resulterende overflade styres af, hvor længe partiklerne er rettet mod overfladen og intensiteten af ​​ionstrålen. På relativt korte tidsrammer på flade overflader, nanopartiklerne binder tilfældigt. Lad processen køre længere, og der dannes en kontinuerlig film. Trinede overflader resulterer i, at nanopartikler danner lineære kæder på trinkanterne ved lav dækning. Med længere tid og en overflade med defekter, partiklerne klynge sig til ufuldkommenhederne, giver mulighed for at skræddersy overflader med partikelrige områder og tilstødende åbne rum. Karakteriseringsforsøgene blev udført ved hjælp af atomkraftmikroskopet, scanning og transmission elektronmikroskoper, samt andre værktøjer i DOE's EMSL, en national videnskabelig brugerfacilitet.

Mens dette arbejde fokuserer på enkelte nanopartikler, det endelige resultat er et udvidet array med implikationer, der strækker sig fra atomskalaen til mesoskalaen. "Mesoskala -forskning handler om, hvordan tingene fungerer sammen i udvidede arrays, "sagde Johnson, "og, det er præcis det, vi med succes har bygget her. "

Forskerne undersøger nu forskellige metalkombinationer med forskellige platinforhold for at få de ønskede egenskaber for brændselscellekatalysatorer. De planlægger at studere disse partikler yderligere i det nye in situ transmissionselektronmikroskop, planlagt at åbne i EMSL i 2015, at forstå, hvordan partiklerne udvikler sig i reaktive miljøer.