En forskargrupp från Northwestern University har utvecklat en ny metod för att tillverka mycket önskvärda katalysatorer från metallnanopartiklar som kan leda till bättre bränsleceller, bland andra applikationer. Forskarna upptäckte också att metoden kan ta förbrukade katalysatorer och återvinna dem till aktiva katalysatorer.

Tillverkad huvudsakligen av ädelmetaller, dessa eftertraktade katalysatorer är formade som ädelstenar. Varje partikel har 24 olika ytor som presenterar atomer vid ytan på sätt som gör dem mer katalytiskt aktiva än de som är kommersiellt tillgängliga.

Metodiken tar grundläggande metallprekursorer, och, använda värme och stabiliserande spårämnen, snabbt omvandlar sin form till strukturer som är mycket aktiva katalytiskt. Kommersiella produkter som bränsleceller - viktiga källor till ren energi - är beroende av sådana katalysatorer.

Metoden är generell; studien visar att den fungerar med fem monometalliska nanopartiklar och ett bibliotek med bimetalliska nanopartiklar, som spänner över sju olika metaller, inklusive platina, kobolt och nickel.

"Många av dessa ädelmetaller är ansvariga för att katalysera några av de viktigaste kemiska transformationerna som används i kemikalien, olje- och bränslecellsindustrin, "sade Tchad A. Mirkin, George B. Rathmann professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences, som ledde forskningen.

"Vi kan inte bara framställa kommersiellt önskvärda katalysatorer, men vi kan återvinna använda bränslecellskatalysatorer till de mest aktiva formerna. Katalysatorer bryts långsamt ned över tiden och förändras, så det faktum att vi kan återvinna och återaktivera dessa katalysatorer av dyra material är extremt värdefullt, " sa Mirkin.

Studien, som inkluderar både simuleringar och experiment, kommer att publiceras den 13 september i tidningen Vetenskap .

De nya katalysatorerna kallas nanopartikelkatalysatorer med hög indexfasett - en optimal form för att accelerera kemiska reaktioner. Mirkins team fann att deras platinakatalysatorer var 20 gånger snabbare än den kommersiella lågindexformen för myrsyraelektrooxidationsreaktionen (baserat på platinainnehåll).

"Platina i formen med hög index är annorlunda och bättre än i andra nanopartiklar, sa Chris Wolverton, en medförfattare till studien och Jerome B. Cohen professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering.

"Det handlar om kemi, " tillade Mirkin, som också är chef för Northwesterns International Institute for Nanotechnology.

Mirkins multidisciplinära team inkluderar även Vinayak Dravid, Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik, på McCormick.

Katalys bidrar till mer än 35 % av världens bruttonationalprodukt, enligt American Chemistry Council. De nya katalysatorerna kan tillverkas i massa och utan användning av ligander, som kan äventyra katalytisk aktivitet. Processen som både kan skapa nya katalysatorer och återvinna förbrukade katalysatorer är snabb och skalbar.

Mirkin sa att tekniken kanske inte är långt ifrån att användas kommersiellt. "Den här typen av teknik är redo att skalas upp och användas brett inom katalysgemenskapen, " han sa.

De Vetenskap papper har titeln "Högindexfasettreglering av nanopartikelform genom avlegering." Den första författaren är Liliang Huang, en doktorand i Mirkins labb.