Forskere udvikler nanopartikler ved hjælp af ionbestråling til at fremme ren energi, brændstofkonvertering

MIT-forskere og kolleger har demonstreret en måde til præcist at kontrollere størrelsen, sammensætningen og andre egenskaber af nanopartikler, der er nøglen til reaktionerne involveret i en række ren energi- og miljøteknologier. De gjorde det ved at udnytte ionbestråling, en teknik, hvor stråler af ladede partikler bombarderer et materiale.

De fortsatte med at vise, at nanopartikler skabt på denne måde har overlegen ydeevne i forhold til deres konventionelt fremstillede modstykker.

"De materialer, vi har arbejdet på, kunne fremme flere teknologier, fra brændselsceller til at generere CO₂ -fri elektricitet til produktionen af ​​rene brintråvarer til den kemiske industri [gennem elektrolyseceller]," siger Bilge Yildiz, leder af arbejdet og professor i MIT's afdeling for nuklear videnskab og teknik og afdeling for materialevidenskab og ingeniørvidenskab.

Kritisk katalysator

Brændstof- og elektrolyseceller involverer begge elektrokemiske reaktioner gennem tre hoveddele:to elektroder (en katode og anode) adskilt af en elektrolyt. Forskellen mellem de to celler er, at de involverede reaktioner løber omvendt.

Elektroderne er belagt med katalysatorer eller materialer, der får de involverede reaktioner til at gå hurtigere. Men en kritisk katalysator lavet af metaloxidmaterialer har været begrænset af udfordringer, herunder lav holdbarhed. "Metalkatalysatorpartiklerne bliver grove ved høje temperaturer, og du mister overfladeareal og aktivitet som følge heraf," siger Yildiz, der også er tilknyttet Materials Research Laboratory og er forfatter til en artikel om arbejdet offentliggjort i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

Indtast metaleksløsning, som involverer udfældning af metalnanopartikler ud af et værtsoxid på overfladen af ​​elektroden. Partiklerne indlejrer sig selv i elektroden, "og den forankring gør dem mere stabile," siger Yildiz. Som et resultat har exsolution "ført til bemærkelsesværdige fremskridt inden for ren energikonvertering og energieffektive computerenheder," skriver forskerne i deres papir.

Det har imidlertid været vanskeligt at kontrollere de præcise egenskaber af de resulterende nanopartikler. "Vi ved, at exsolution kan give os stabile og aktive nanopartikler, men den udfordrende del er virkelig at kontrollere det. Det nye ved dette arbejde er, at vi har fundet et værktøj - ionbestråling - der kan give os den kontrol," siger Jiayue Wang, første forfatter af papiret. Wang, der udførte arbejdet, mens han fik sin MIT Ph.D. i Department of Nuclear Science and Engineering, er nu postdoc ved Stanford.

Sossina Haile er Walter P. Murphy-professor i materialevidenskab og -teknik ved Northwestern University. Haile, som ikke var involveret i det nuværende arbejde, siger:"Metalnanopartikler tjener som katalysatorer i en lang række reaktioner, herunder den vigtige reaktion ved at spalte vand for at generere brint til energilagring. I dette arbejde har Yildiz og kolleger skabt en genial metode til at kontrollere den måde, nanopartikler dannes på."

Haile fortsætter, "samfundet har vist, at udløsning resulterer i strukturelt stabile nanopartikler, men processen er ikke nem at kontrollere, så man får ikke nødvendigvis det optimale antal og størrelse af partikler. Ved hjælp af ionbestråling var denne gruppe i stand til præcist at kontrollere nanopartiklernes egenskaber, hvilket resulterer i fremragende katalytisk aktivitet til vandspaltning."

Hvad de gjorde

Forskerne fandt ud af, at ved at rette en stråle af ioner mod elektroden, samtidig med at metalnanopartikler blev udløst på elektrodens overflade, kunne de kontrollere flere egenskaber af de resulterende nanopartikler.

"Gennem ion-stof-interaktioner har vi med succes konstrueret størrelsen, sammensætningen, densiteten og placeringen af ​​de opløste nanopartikler," skriver holdet i Energy &Environmental Science .

For eksempel kunne de gøre partiklerne meget mindre - ned til to milliardtedele meter i diameter - end dem, der er fremstillet ved hjælp af konventionelle termiske udløsningsmetoder alene. Yderligere var de i stand til at ændre sammensætningen af ​​nanopartiklerne ved at bestråle med specifikke elementer. De demonstrerede dette med en stråle af nikkelioner, der implanterede nikkel i den opløste metalnanopartikel. Som et resultat demonstrerede de en direkte og bekvem måde at konstruere sammensætningen af ​​opløste nanopartikler.

"Vi ønsker at have multi-element nanopartikler eller legeringer, fordi de normalt har højere katalytisk aktivitet," siger Yildiz. "Med vores tilgang behøver udløsningsmålet ikke at være afhængig af selve substratoxidet." Bestråling åbner døren til mange flere kompositioner. "Vi kan stort set vælge ethvert oxid og enhver ion, som vi kan bestråle med og udløse det," siger Yildiz.

Holdet fandt også ud af, at ionbestråling danner defekter i selve elektroden. Og disse defekter giver yderligere kernedannelsessteder eller steder for de frigjorte nanopartikler at vokse fra, hvilket øger tætheden af ​​de resulterende nanopartikler.

Bestråling kunne også tillade ekstrem rumlig kontrol over nanopartiklerne. "Fordi du kan fokusere ionstrålen, kan du forestille dig, at du kunne 'skrive' med den for at danne specifikke nanostrukturer," siger Wang. "Vi lavede en foreløbig demonstration [af det], men vi mener, at det har potentiale til at realisere velkontrollerede mikro- og nanostrukturer."

Holdet viste også, at de nanopartikler, de skabte med ionbestråling, havde overlegen katalytisk aktivitet i forhold til dem, der blev skabt af konventionel termisk opløsning alene.

Flere oplysninger: Jiayue Wang et al., Ionbestråling for at kontrollere størrelse, sammensætning og spredning af metalnanopartiklers opløsning, Energy &Environmental Science (2023). DOI:10.1039/D3EE02448B

Journaloplysninger: Energi- og miljøvidenskab

Leveret af Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology