Bedre sammen:Forskere opdager anvendelser af nanopartikler med flere elementer

En ny type legeret nanopartikel viser sig at være mere stabil, holdbare end enkelt-element nanopartikler.

Katalysatorer er en integreret del af utallige aspekter af det moderne samfund. Ved at fremskynde vigtige kemiske reaktioner, katalysatorer understøtter industriel fremstilling og reducerer skadelige emissioner. De øger også effektiviteten i kemiske processer til applikationer lige fra batterier og transport til øl og vaskemiddel.

Lige så betydningsfulde som katalysatorer er, måden, de arbejder på, er ofte et mysterium for videnskabsmænd. At forstå katalytiske processer kan hjælpe forskere med at udvikle mere effektive og omkostningseffektive katalysatorer. I en nylig undersøgelse, forskere fra University of Illinois Chicago (UIC) og US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory opdagede, at under en kemisk reaktion, der ofte hurtigt nedbryder katalytiske materialer, en bestemt type katalysator udviser usædvanlig høj stabilitet og holdbarhed.

Katalysatorerne i denne undersøgelse er legerede nanopartikler, eller partikler i nanostørrelse, der består af flere metalliske elementer, såsom kobolt, nikkel, kobber og platin. Disse nanopartikler kan have flere praktiske anvendelser, herunder vandopdeling for at generere brint i brændselsceller; reduktion af kuldioxid ved at opfange og omdanne det til nyttige materialer som methanol; mere effektive reaktioner i biosensorer til at detektere stoffer i kroppen; og solceller, der producerer varme, elektricitet og brændstof mere effektivt.

I dette studie, forskerne undersøgte "højentropi" (meget stabile) legerede nanopartikler. Holdet af forskere, ledet af Reza Shahbazian-Yassar ved UIC, brugte Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet, at karakterisere partiklernes sammensætning under oxidation, en proces, der nedbryder materialet og reducerer dets anvendelighed i katalytiske reaktioner.

"Ved brug af gasstrømstransmissionselektronmikroskopi (TEM) ved CNM, vi kan fange hele oxidationsprocessen i realtid og i meget høj opløsning, " sagde videnskabsmand Bob Song fra UIC, en ledende videnskabsmand på undersøgelsen. "Vi fandt ud af, at nanopartiklerne af højentropilegering er i stand til at modstå oxidation meget bedre end almindelige metalpartikler."

For at udføre TEM, forskerne indlejrede nanopartiklerne i en siliciumnitridmembran og flød forskellige typer gas gennem en kanal over partiklerne. En elektronstråle undersøgte reaktionerne mellem partiklerne og gassen, afslører den lave oxidationshastighed og migration af visse metaller - jern, kobolt, nikkel og kobber - til partiklernes overflader under processen.

"Vores mål var at forstå, hvor hurtigt materialer med høj entropi reagerer med ilt, og hvordan nanopartiklernes kemi udvikler sig under en sådan reaktion, " sagde Shahbazian-Yassar, UIC professor i maskin- og industriteknik ved Ingeniørhøjskolen.

Ifølge Shahbazian-Yassar, opdagelserne i denne forskning kan gavne mange energilagrings- og konverteringsteknologier, såsom brændselsceller, lithium-luft batterier, superkondensatorer og katalysatormaterialer. Nanopartiklerne kunne også bruges til at udvikle korrosionsbestandige og højtemperaturmaterialer.

"Dette var et vellykket udstillingsvindue for, hvordan CNM's muligheder og tjenester kan opfylde behovene hos vores samarbejdspartnere, " sagde Argonnes Yuzi Liu, en videnskabsmand ved CNM. "Vi har state-of-the-art faciliteter, og vi ønsker også at levere state-of-the-art videnskab."