Fysiker har funnit att platinananopartiklar begränsar sin storlek och organiserar sig i specifika mönster när de binds till fristående grafen.

När du visar detta beteende, de bundna platinananopartiklarna upprätthåller en effektiv ytarea som fungerar som en katalysator för kemiska reaktioner, en upptäckt som kan sänka produktionskostnaderna för platinakatalyserade bränsleceller.

Ett internationellt team av forskare, ledd av en forskargrupp vid University of Arkansas, publicerade sina resultat den 5 februari i tidskriften ACS Nano , i en tidning med titeln, "Självorganiserade platinananopartiklar på fristående grafen."

Studien leddes av Peng Xu, en forskarassistent vid avdelningen för fysik vid J. William Fulbright College of Arts and Sciences vid University of Arkansas.

Platinakatalyserade bränsleceller används för att driva byggnader som ersättning för förbränningsmotorer i fordon.

"Eftersom platina är en sällsynt metall, mycket av kostnaderna som går till att tillverka hybridfordon kommer från platina som behövs för att katalysera bränsleceller, sade Paul Thibado, professor i fysik vid University of Arkansas.

"Platina, när den placeras på fasta ytor, diffunderar för att bilda slumpmässiga partiklar som växer okontrollerat, och det begränsar deras reaktivitet, sade han. Å andra sidan, fristående grafen har en mycket flexibel yta, och vi fann det, på grund av lokala belastningseffekter, det finns en 80-procentig minskning av mängden platina som behövs för att upprätthålla effektiv katalys."

Forskningen visar också, för första gången, att en funktionellt överlägsen, enkristallplatinananopartiklar uppstår från dess applicering på grafen.

"Det vi hittade var ganska spännande, " sa Thibado. "Det är verkligen ganska speciellt."

Grafen - en av de starkaste, lättaste och mest ledande material som är känt - är en enatoms tjock skiva av kolatomer. Elektroner som rör sig genom grafit har massa och möter motstånd, men elektroner som rör sig genom grafen är masslösa och möter därför mycket mindre motstånd. Detta gör grafen till ett utmärkt kandidatmaterial för framtida energibehov, samt i kvantberäkningar för enorma beräkningar med liten energianvändning.

Grafen upptäcktes 2004, och mycket är fortfarande okänt om dess egenskaper. Thibados grupp använder atomisk skala avbildning och manipulation för att främja tillämpningarna av både orörd och kemiskt funktionaliserad grafen, genom utvecklingen av en detaljerad förståelse av dess grundläggande elektroniska och mekaniska egenskaper.

Den senaste studien, som producerades främst genom ett forskningspartnerskap mellan University of Arkansas, Missouri State University och University of Antwerpen i Belgien, bestod av högupplöst transmissionselektronmikroskopi kombinerat med scanning tunneling mikroskopi och state-of-the-art beräkningsmolekylär dynamik. Det är en kombination som sällan ses i fysiken, sa Thibado, en expert på experimentell fysik av kondenserad materia.

Scanning tunnelmikroskopi, som producerar bilder av enskilda atomer på en yta, användes för att se beteendet hos platinananopartiklarna på grafenet. Forskare i Missouri använde transmissionselektronmikroskopi, en teknik där en elektronstråle sänds genom ett ultratunt material, för att bekräfta de kristallina egenskaperna.

Sammanslagningen av de båda experimentella teknikerna med teoretisk modellering gav ett oväntat resultat för forskarna:bindningen av grafen till platinananopartiklarna var ovanlig, enligt Thibado.

"Eftersom den är så stark och flexibel, grafen lindar sig vanligtvis runt materialet som det binder till, " sa Thibado. "I det här fallet, bindningen med platina var helt annorlunda, mer som en pyramid."