Forskare har använt en nobelprisvinnande kemiteknik på en blandning av metaller för att potentiellt minska kostnaden för bränsleceller som används i elbilar och minska skadliga utsläpp från konventionella fordon.

Forskarna har översatt en biologisk teknik, som vann Nobels kemipris 2017, för att avslöja atomkemi i metallnanopartiklar. Dessa material är en av de mest effektiva katalysatorerna för energiomvandlingssystem som bränsleceller. Det är första gången denna teknik har varit för denna typ av forskning.

Partiklarna har en komplex stjärnformad geometri och detta nya arbete visar att kanterna och hörnen kan ha olika kemier som nu kan justeras för att minska kostnaderna för batterier och katalytiska omvandlare.

Nobelpriset i kemi 2017 tilldelades Joachim Frank, Richard Henderson och Jacques Dubochet för deras roll i banbrytande tekniken för rekonstruktion av enstaka partiklar. Denna elektronmikroskopiteknik har avslöjat strukturerna för ett stort antal virus och proteiner men används vanligtvis inte för metaller.

Nu, ett team vid University of Manchester, i samarbete med forskare vid University of Oxford och Macquarie University, har byggt på den nobelprisvinnande tekniken för att producera tredimensionella elementkartor över metalliska nanopartiklar som består av bara några tusen atomer.

Publicerad i tidskriften Nano bokstäver , deras forskning visar att det är möjligt att kartlägga olika element i nanometerskalan i tre dimensioner, kringgå skador på de partiklar som studeras.

Metallnanopartiklar är huvudkomponenten i många katalysatorer, som de som används för att omvandla giftiga gaser i bilens avgaser. Deras effektivitet är starkt beroende av deras struktur och kemi, men på grund av deras otroligt små struktur, elektronmikroskop krävs för att ge dem bild. Dock, mest avbildning är begränsad till 2-D-projektioner.

"Vi har undersökt användningen av tomografi i elektronmikroskopet för att kartlägga elementära fördelningar i tre dimensioner under en tid, "sade professor Sarah Haigh, från Materialskolan, University of Manchester. "Vi brukar rotera partikeln och ta bilder från alla håll, som en CT -skanning på ett sjukhus, men dessa partiklar skadade för snabbt för att en 3D-bild skulle kunna byggas upp. Biologer använder ett annat tillvägagångssätt för 3D-avbildning och vi bestämde oss för att undersöka om detta kan användas tillsammans med spektroskopiska tekniker för att kartlägga de olika elementen inuti nanopartiklarna. "

"Precis som" enkelpartikelrekonstruktion "fungerar tekniken genom att avbilda många partiklar och anta att de alla är identiska i struktur, men arrangerad i olika orienteringar i förhållande till elektronstrålen. Bilderna matas sedan in till en datoralgoritm som matar ut en tredimensionell rekonstruktion. "

I föreliggande studie har den nya 3D-kemiska avbildningsmetoden använts för att undersöka platina-nickel (Pt-Ni) metallnanopartiklar.

Huvud författare, Yi-Chi Wang, även från Materialskolan, tillade:"Platinumbaserade nanopartiklar är ett av de mest effektiva och mest använda katalytiska materialen i applikationer som bränsleceller och batterier. Våra nya insikter om 3D-kemisk distribution kan hjälpa forskare att designa bättre katalysatorer som är billiga och hög effektivitet."

"Vi strävar efter att automatisera vårt 3D-arbetsflöde för kemisk rekonstruktion i framtiden", tillade författaren Dr Thomas Slater. "Vi hoppas att det kan ge en snabb och tillförlitlig metod för avbildning av nanopartikelpopulationer som snabbt behövs för att påskynda optimering av nanopartikelsyntes för omfattande tillämpningar, inklusive biomedicinsk avkänning, ljusdioder, och solceller. "