Prover av självmonterade metallinnehållande filmer gjorda med den nya solgelprocessen. Filmerna är i huvudsak glas i vilka metallatomer är upphängda, som ger färgen., Nätlinjerna är 5 mm från varandra. Upphovsman:Wiesner Lab
(PhysOrg.com) - För katalysatorer i bränsleceller och elektroder i batterier, ingenjörer skulle vilja tillverka metallfilmer som är porösa, att göra mer yta tillgänglig för kemiska reaktioner, och mycket ledande, att ta bort elen. Det senare har varit en frustrerande utmaning.
Men Cornell -kemister har nu utvecklat ett sätt att göra porösa metallfilmer med upp till 1, 000 gånger den elektriska konduktiviteten som erbjuds av tidigare metoder. Deras teknik öppnar också dörren för att skapa en mängd olika metallnanostrukturer för teknik och biomedicinska tillämpningar, sa forskarna.
Resultaten av flera års experiment beskrivs den 18 mars onlineutgåva av tidningen Naturmaterial .
"Vi har nått oöverträffade kontrollnivåer på komposition, nanostruktur och funktionalitet - till exempel konduktivitet - av de resulterande materialen, allt med en enkel "one-pot" blandning och värme, "sa seniorförfattaren Ulrich Wiesner, Spencer T. Olin professor i teknik.
Hur det ser ut för en kemist:3-isocyanatopropyltriethoxysilane (ICPTS), länkar till en aminosyra som i sin tur tar tag i en metalljon ("M" representerar vilken metall som helst som väljs) från ett metallacetat, lämnar ättiksyra bakom sig. Att ha dessa strukturer i åtanke ledde till Aha! ögonblick för forskaren Scott Warren.
Den nya metoden bygger på "sol-gel-processen, "redan kända för kemister. Vissa kiselföreningar blandade med lösningsmedel kommer att självmonteras till en struktur av kiseldioxid (dvs. glas) honungskaka med nanometerskalade porer. Utmaningen för forskarna var att lägga till metall för att skapa en porös struktur som leder elektricitet.
För cirka 10 år sedan, Wiesners forskargrupp, samarbetar med Cornell Fuel Cell Institute, försökte använda sol-gelprocessen med katalysatorerna som drar bort protoner från bränslemolekyler för att generera elektricitet. De behövde material som skulle klara hög ström, men tillsats av mer än en liten mängd metall störde sol-gelprocessen, förklarade Scott Warren, första författare till Naturmaterial papper.
Nästan vilken metall som helst i hela det periodiska systemet (visas i rött och blått) kan användas i den nya processen. De som är märkta med blått kan köpas från hyllan från kemiska leveranshus i lämplig form. Upphovsman:Wiesner Lab
Warren, som då var doktorand student i Wiesners grupp och är nu forskare vid Northwestern University, slog tanken på att använda en aminosyra för att länka metallatomer till kiseldioxidmolekyler, eftersom han hade insett att ena änden av aminosyramolekylen har en affinitet för kiseldioxid och den andra änden för metaller.
"Om det fanns ett sätt att fästa metallen direkt på kiseldioxid-sol-gel-föregångaren skulle vi förhindra denna fasseparation som stör självmonteringsprocessen, " han förklarade.
Det omedelbara resultatet är en nanostruktur av metall, kiseldioxid och kol, med mycket mer metall än vad som hade varit möjligt tidigare, kraftigt ökande konduktivitet. Kiseldioxid och kol kan tas bort, lämnar porös metall. Men en kiseldioxidmetallstruktur skulle hålla sin form vid de höga temperaturer som finns i vissa bränsleceller, Warren noterade, och att ta bort bara kiseldioxiden för att lämna ett kol-metallkomplex erbjuder andra möjligheter, inklusive större porer.
Forskarna rapporterar ett brett spektrum av experiment som visar att deras process kan användas för att skapa "ett bibliotek med material med hög grad av kontroll över sammansättning och struktur." De har byggt strukturer av nästan varje metall i det periodiska systemet, och med ytterligare kemi kan "justera" porernas dimensioner i ett intervall från 10 till 500 nanometer. De har också gjort metallfyllda kiseldioxid nanopartiklar tillräckligt små för att förtäras och utsöndras av människor, med möjliga biomedicinska tillämpningar. Wiesners grupp är också känd för att skapa "Cornell -prickar, "som inkapslar färgämnen i kiseldioxid nanopartiklar, så en möjlig framtida tillämpning av sol-gelprocessen kan vara att bygga Graetzel-solceller, som innehåller ljuskänsliga färgämnen. Michael Graetzel från École Polytechnique Fédérale de Lausanne och innovatör för Graetzel-cellen är medförfattare till det nya papperet. Mätningen av den rekordinställande elektriska konduktiviteten utfördes i hans laboratorium.
Forskningen har fått stöd av Department of Energy och, genom flera kanaler, National Science Foundation.
