Hæld ild på brændstoffer på nanoskala

Der er ingen magiske kugler til globale energibehov. Men brændselsceller, hvori elektrisk energi udnyttes direkte fra levende, selvbærende kemiske reaktioner lover billigere alternativer til fossile brændstoffer.

For at lette hurtigere energiomdannelse i disse celler, forskere spreder nanopartikler fremstillet af specielle metaller kaldet 'ædle' metaller, for eksempel guld, sølv og platin langs overfladen af ​​en elektrode. Disse metaller er ikke så kemisk responsive som andre metaller på makroskala, men deres atomer bliver mere responsive på nanoskala. Nanopartikler fremstillet af disse metaller fungerer som en katalysator, at øge hastigheden af ​​den nødvendige kemiske reaktion, der frigør elektroner fra brændstoffet. Mens nanopartiklerne sprøjtes på elektroden, klemmer de sammen som spartelmasse, danner større klynger. Denne komprimeringstendens, kaldet sintring, reducerer det samlede overfladeareal, der er tilgængeligt for molekyler af brændstoffet til at interagere med de katalytiske nanopartikler, dermed forhindre dem i at realisere deres fulde potentiale i disse brændselsceller.

Forskning udført af Nanopartikler af Design Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), i samarbejde med SLAC National Laboratory i USA og det østrigske center for elektronmikroskopi og nanoanalyse, har udviklet en måde at forhindre ædelmetal -nanopartikler i at komprimere, ved at indkapsle dem individuelt inde i en porøs skal lavet af et metaloxid. OIST-forskerne offentliggjorde deres resultater i Nanoscale. Deres arbejde har umiddelbare anvendelser inden for nanokatalyse til fremstilling af mere effektive brændselsceller.

OIST -forskerne designede et nyt system. De indkapslede Palladium nanopartikler i en skal af magnesiumoxid. Derefter spredte de denne kerne-skal kombination på en elektrode og målte den nedsænkede elektrodes evner til at forbedre hastigheden af ​​den elektrokemiske reaktion, der opstår i methanol-brændselsceller. De viste, at indkapslede Palladium-nanopartikler giver en betydeligt overlegen ydeevne end nøgne Palladium-nanopartikler.

OIST-forskerne havde tidligere indset, at magnesiumoxid-nanopartikler kunne danne porøse skaller omkring ædelmetalnanopartikler, mens de studerede magnesium- og palladiumnanopartikler hver for sig. Porøsiteten af ​​denne tilføjede rustning sikrer, at den ikke skærmer molekyler af brændstoffet fra at nå det indkapslede palladium. Elektronmikroskopibilleder bekræftede, at magnesiumoxid-skallen simpelthen fungerer som et afstandsstykke mellem palladiumkernerne, når de forsøger at klæbe til hinanden, lader hver enkelt realisere sit fulde reaktive potentiale.

Det avancerede nanopartikelaflejringssystem på OIST gjorde det muligt for forskerne at finjustere de eksperimentelle parametre og variere tykkelsen af ​​den indkapslende skal samt antallet af Palladium-nanopartikler i kernen med relativ lethed. Tuning størrelser og strukturer af nanopartikler ændrer deres fysiske og kemiske egenskaber til forskellige anvendelser.

"Flere kerne-skal kombinationer kan prøves ved hjælp af vores teknik, med metaller billigere end palladium for eksempel, som nikkel eller jern. Vores resultater viser nok løfte om at fortsætte i denne nye retning, " sagde Vidyadhar Singh, avisens første forfatter, og postdoc under vejledning af prof. Mukhles Sowan, direktøren for OIST's Nanopartikler af Design Unit, som også var en tilsvarende forfatter til papiret.