Forskare vid Ames Laboratory har upptäckt en metod för att göra mindre, effektivare intermetalliska nanopartiklar för bränslecellstillämpningar, och som dessutom använder mindre av den dyra ädelmetallen platina.

Forskarna lyckades genom att övervinna några av de tekniska utmaningarna i tillverkningen av platina-zink nanopartiklar med en ordnad gitterstruktur, som fungerar bäst vid de små storlekar där den kemiskt reaktiva ytarean är högst i proportion till partikelvolymen.

"Det där förhållandet mellan yta och volym är viktigt för att få ut det mesta av en intermetallisk nanopartikel, sa Wenyu Huang, Ames Laboratory forskare och biträdande professor i kemi vid Iowa State University. "Ju mindre partikeln är, ju mer yta det finns, och mer yta ökar den katalytiska aktiviteten."

Men den höga temperaturen i glödgningsprocessen som krävs för att bilda intermetalliska nanopartiklar motverkar ofta målet att uppnå en liten storlek.

"Högtemperaturglödgning kan få partiklarna att aggregera eller klumpa ihop sig, och producerar större storlekar av partiklar som har mindre tillgänglig yta och inte är lika reaktiva. Så, bara de steg som krävs för att producera dem kan besegra deras ultimata kemiska prestanda, sa Huang.

För att förhindra att aggregering uppstår under uppvärmningsprocessen, Huangs forskargrupp använde först kolnanorör som ett stöd för PtZn-nanopartiklarna, och belade dem sedan med ett offer mesoporöst kiseldioxidskal för högtemperaturglödgning för att bilda de intermetalliska strukturerna. En kemisk etsningsprocess tar sedan bort kiseldioxidskalet efteråt.

Den resulterande slutprodukten av likformiga 3,2 nm platina-zink-partiklar gav inte bara två gånger den katalytiska aktiviteten per ytplats, den ytan såg tio gånger den katalytiska aktiviteten av större partiklar som innehöll samma mängd platina.

Upptäckten möjliggjordes delvis av kapaciteten hos ett nytt Titan svepelektronmikroskop vid Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility, gemensamt finansierat av Department of Energy och Iowa State University.

"Att kunna se fördelningarna av materialet på atomär nivå med vårt nya mikroskop har gjort en enorm positiv inverkan på laboratoriets förmåga att finjustera material, sa Lin Zhou, biträdande forskare och instrumentledare för anläggningen för känsliga instrument. "Det är en mycket mer omedelbar process, att kunna samarbeta direkt med tillverkningsforskarna internt. Baserat på de resultat och förslag vi ger, de kan förbättra materialet, vi kan karakterisera det ännu en gång, och upptäcktscykeln är mycket snabbare."

Forskningen diskuteras vidare i en artikel, "Sub-4 nm PtZn intermetalliska nanopartiklar för förbättrad massa och specifika aktiviteter i katalytisk elektrooxidationsreaktion" publicerad i Journal of the American Chemical Society .