Forskere bruger Nobelprisvindende kemi til gennembrud af ren energi

Forskere har brugt en nobelprisvindende kemiteknik på en blanding af metaller for potentielt at reducere omkostningerne ved brændselsceller, der bruges i elbiler, og reducere skadelige emissioner fra konventionelle køretøjer.

Forskerne har oversat en biologisk teknik, som vandt Nobels Kemipris 2017, at afsløre kemi på atomare skala i metalnanopartikler. Disse materialer er en af ​​de mest effektive katalysatorer til energiomdannelsessystemer såsom brændselsceller. Det er første gang, denne teknik har været til denne form for forskning.

Partiklerne har en kompleks stjerneformet geometri, og dette nye arbejde viser, at kanterne og hjørnerne kan have forskellige kemier, som nu kan justeres for at reducere omkostningerne til batterier og katalysatorer.

Nobelprisen i kemi 2017 blev tildelt Joachim Frank, Richard Henderson og Jacques Dubochet for deres rolle i banebrydende teknikken til rekonstruktion af enkeltpartikler. Denne elektronmikroskopiteknik har afsløret strukturer af et stort antal vira og proteiner, men bruges normalt ikke til metaller.

Nu, et team ved University of Manchester, i samarbejde med forskere ved University of Oxford og Macquarie University, har bygget videre på den nobelprisvindende teknik til at producere tredimensionelle elementære kort over metalliske nanopartikler bestående af blot nogle få tusinde atomer.

Udgivet i tidsskriftet Nano bogstaver , deres forskning viser, at det er muligt at kortlægge forskellige elementer på nanometerskalaen i tre dimensioner, omgå skader på de partikler, der undersøges.

Metal nanopartikler er den primære komponent i mange katalysatorer, såsom dem, der bruges til at omdanne giftige gasser i biludstødninger. Deres effektivitet er meget afhængig af deres struktur og kemi, men på grund af deres utroligt lille struktur, elektronmikroskoper er påkrævet for at give billedet dem. Imidlertid, de fleste billeddannelser er begrænset til 2D-projektioner.

"Vi har undersøgt brugen af ​​tomografi i elektronmikroskopet til at kortlægge elementalfordelinger i tre dimensioner i nogen tid, " sagde professor Sarah Haigh, fra Materialeskolen, University of Manchester. "Vi roterer normalt partiklen og tager billeder fra alle retninger, som en CT -scanning på et hospital, men disse partikler beskadigede for hurtigt til at gøre det muligt at opbygge et 3D-billede. Biologer bruger en anden tilgang til 3D-billeddannelse, og vi besluttede at undersøge, om dette kunne bruges sammen med spektroskopiske teknikker til at kortlægge de forskellige elementer inde i nanopartiklerne."

"Ligesom 'enkeltpartikelrekonstruktion' fungerer teknikken ved at afbilde mange partikler og antage, at de alle er identiske i struktur, men arrangeret i forskellige orienteringer i forhold til elektronstrålen. Billederne føres derefter ind i en computeralgoritme, der udsender en tredimensionel rekonstruktion. "

I denne undersøgelse er den nye 3-D kemiske billeddannelsesmetode blevet brugt til at undersøge platin-nikkel (Pt-Ni) metal nanopartikler.

Hovedforfatter, Yi-Chi Wang, også fra School of Materials, tilføjet:"Platinbaserede nanopartikler er et af de mest effektive og mest udbredte katalytiske materialer i applikationer som brændselsceller og batterier. Vores nye indsigt om den 3-D lokale kemiske distribution kan hjælpe forskere med at designe bedre katalysatorer, der er billige og billige. høj effektivitet."

"Vi sigter mod at automatisere vores 3-D kemiske rekonstruktionsarbejdsgang i fremtiden", tilføjede forfatteren Dr. Thomas Slater. "Vi håber, at det kan levere en hurtig og pålidelig metode til billeddannelse af nanopartikelpopulationer, som er presserende nødvendig for at fremskynde optimeringen af ​​nanopartikelsyntese til vidtrækkende applikationer, herunder biomedicinsk sansning, lysdioder, og solceller. "