Nano-hindbær kunne bære frugt i brændselsceller

Forskere ved National Institute of Standards and Technology har udviklet en hurtig, enkel proces til fremstilling af platin 'nano-hindbær' - mikroskopiske klynger af nanoskala partikler af ædelmetal. Den bærlignende form er væsentlig, fordi den har et stort overfladeareal, hvilket er nyttigt ved design af katalysatorer. Endnu bedre nyheder for industrielle kemikere:forskerne fandt ud af, hvornår og hvorfor bærklaserne klumper sig til større klaser af 'nano-druer.'

Forskningen kan være med til at gøre brændselsceller mere praktiske. Nanopartikler kan fungere som katalysatorer for at hjælpe med at omdanne methanol til elektricitet i brændselsceller. NIST's 40-minutters proces til fremstilling af nano-hindbær, beskrevet i et nyt papir, har flere fordele. Bærens høje overfladeareal tilskynder til effektive reaktioner. Ud over, NIST-processen bruger vand, et godartet eller 'grønt' opløsningsmiddel. Og klaserne katalyserer methanolreaktioner konsekvent og er stabile ved stuetemperatur i mindst otte uger.

Selvom bærene var lavet af platin, metallet er dyrt og blev kun brugt som model. Undersøgelsen vil faktisk hjælpe med at guide søgningen efter alternative katalysatormaterialer, og klumpningsadfærd i opløsningsmidler er et nøgleproblem. For brændselsceller, nanopartikler blandes ofte med opløsningsmidler for at binde dem til en elektrode. For at lære, hvordan sådanne formler påvirker partikelegenskaber, NIST-holdet målte partikelklumpning i fire forskellige opløsningsmidler for første gang. Til applikationer som flydende methanol -brændselsceller, katalysatorpartikler skal forblive adskilt og spredt i væsken, ikke klumpet.

'Vores innovation har lidt at gøre med platin og alt at gøre med, hvordan nye materialer testes i laboratoriet, ' siger projektleder Kavita Jeerage. 'Vores kritiske bidrag er, at efter at du har lavet et nyt materiale, skal du træffe valg. Vores papir handler om ét valg:hvilket opløsningsmiddel der skal bruges. Vi lavede partiklerne i vand og testede, om du kunne putte dem i andre opløsningsmidler. Vi fandt ud af, at dette valg er en stor ting.'

NIST-holdet målte forhold, hvorunder platinpartikler, i størrelse fra 3 til 4 nanometer (nm) i diameter, agglomereret i bundter på 100 nm brede eller større. De fandt ud af, at sammenklumpning afhænger af opløsningsmidlets elektriske egenskaber. Hindbærene danner større klaser af druer i opløsningsmidler, der er mindre polære, ' det er, hvor opløsningsmiddelmolekyler mangler områder med stærkt positive eller negative ladninger, (vand er et stærkt polært molekyle).

Det forventede forskerne. Hvad de ikke forventede er, at tendensen ikke skalerer på en forudsigelig måde. De fire undersøgte opløsningsmidler var vand, methanol, ethanol og isopropanol, ordnet ved at reducere polariteten. Der var ikke meget agglomeration i methanol; klaser blev omkring 30 procent større, end de var i vand. Men i ethanol og isopropanol, klumperne blev 400 procent og 600 procent større, hhv. virkelig enorme klaser. Dette er en meget dårlig suspensionskvalitet til katalytiske formål.

Fordi nanopartiklerne klumpede sig langsomt og ikke for meget i methanol, forskerne konkluderede, at partiklerne kunne overføres til det opløsningsmiddel, forudsat, at de skulle bruges inden for et par dage - hvilket effektivt sætter en udløbsdato på katalysatoren.