Ett team från University of Pittsburgh övervann ett stort hinder som plågade utvecklingen av nanomaterial som de som kan leda till effektivare katalysatorer som används för att producera väte och göra bilavgaserna mindre giftiga. Forskarna rapporterade 29 november in Naturmaterial den första demonstrationen av högtemperaturstabilitet i metalliska nanopartiklar, det omtalade nästa generations material som hämmas av en sårbarhet för extrem värme.
Götz Veser, en docent och CNG Faculty Fellow i kemi- och petroleumteknik vid Pitt's Swanson School of Engineering, och Anmin Cao, tidningens huvudförfattare och en postdoktor i Vesers labb, skapade metallegerade partiklar i intervallet 4 nanometer som tål temperaturer på mer än 850 grader Celsius, minst 250 grader mer än typiska metalliska nanopartiklar. Smidd av de katalytiska metallerna platina och rodium, de mycket reaktiva partiklarna fungerar genom att dumpa sina värmekänsliga komponenter när temperaturen stiger, en kvalitets-Cao liknas vid en gecko som fäller svansen i självförsvar.
"Den naturliga instabiliteten hos partiklar i denna skala är ett hinder för många tillämpningar, från sensorer till bränsleproduktion, ", sa Veser. "Nanopartiklars fantastiska potential att öppna upp helt nya fält och möjliggöra dramatiskt effektivare processer har visats i laboratorieapplikationer, men väldigt lite av det har översatts till det verkliga livet på grund av sådana problem som värmekänslighet. För att vi ska skörda fördelarna med nanopartiklar, de måste motstå de hårda förhållandena vid faktisk användning."
Veser och Cao presenterar en originell metod för att stabilisera metalliska katalysatorer mindre än 5 nanometer. Material inom detta storleksintervall har en större yta och tillåter nästan totalt partikelutnyttjande, möjliggör effektivare reaktioner. Men de smälter också samman vid cirka 600 grader Celsius - lägre än vanliga reaktionstemperaturer för många katalytiska processer - och blir för stora. Försök att stabilisera metallerna har inneburit inkapsling av dem i värmebeständiga nanostrukturer, men de mest lovande metoderna visades bara i intervallet 10 till 15 nanometer, skrev Cao. Veser har själv designat oxidbaserade nanostrukturer som stabiliserat partiklar så små som 10 nanometer.
För forskningen i Naturmaterial , han och Cao blandade platina och rodium, som har en hög smältpunkt. De testade legeringen via en metanförbränningsreaktion och fann att kompositen inte bara var en mycket reaktiv katalysator, men att partiklarna bibehöll en medelstorlek på 4,3 nanometer, även under långvarig exponering för 850 graders värme. Faktiskt, små mängder 4-nanometer partiklar kvarstod efter att temperaturen toppade 950 grader Celsius, även om majoriteten hade svällt till åtta gånger den storleken.
Veser och Cao blev förvånade när de upptäckte att legeringen inte bara tålde värmen. Den offrade istället lågtolerans platina och rekonstituerade sig sedan som en rodiumrik katalysator för att avsluta reaktionen. Vid cirka 700 grader Celsius, platina-rodiumlegeringen började smälta. Platinan "blödde" från partikeln och bildade större partiklar med annan felaktig platina, lämnar de mer hållbara legerade partiklarna att vittra. Veser och Cao förutspådde att denna självstabilisering skulle inträffa för alla metallkatalysatorer legerade med en sekund, mer hållbar metall.
Källa:University of Pittsburgh
