(Phys.org) – I hundratals år, alkemister har försökt att förvandla oädla metaller till ädla metaller. Även om de kanske aldrig förvandlar bly till guld, forskare har upptäckt ett sätt att förvandla en nickelrik nanopartikel till en platinarik "nanoram" som kan forma utvecklingen av bränsleceller och andra elektrokemiska teknologier.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory gick ihop för att omvandla platina-nickel polyedrar till kala ramar som hade ett mycket rikare platinainnehåll. Argonne fysikalisk kemist Vojislav Stamenkovic, och Lawrence Berkeley-forskaren och UC Berkeley-professorn Peidong Yang ledde forskargruppen som har gett forskare ett nytt tillvägagångssätt för katalys.

"Polyedrar har varit de vanliga nanostrukturerna som använts i decennier för katalysforskning, "Sade Stamenkovic. "Vår forskning visar att det kan finnas andra alternativ tillgängliga."

Platina är ett mycket aktivt katalytiskt medel, vilket gör det önskvärt för forskare som söker efter nya material för bränsleceller och metall-luftbatterier, bland andra tekniker. Tyvärr, på grund av dess sällsynta och dyra natur, forskare har varit tvungna att hitta sätt att använda det så effektivt som möjligt. I polyederkonfigurationen, många av de uppskattade platinaatomerna var begravda och oåtkomliga i huvuddelen av nanopartikeln.

Genom att erodera insidan av nanopartikeln med hjälp av en kemisk process, forskarna kunde skapa en nanoram – ett skelett av den ursprungliga polyedern som behöll de relativt platinarika kanterna. Medan den ursprungliga polyedern bestod av tre nickelatomer för varje platina, nanoframes hade, i genomsnitt, de omvända proportionerna.

Valet att använda nanoramar i motsats till polyedrar gav forskarna en ytterligare stor fördel. Istället för att behöva komma i kontakt med nanopartikelns yta, katalyserade molekyler kunde komma i kontakt med den från vilken riktning som helst – inklusive vad som brukade vara insidan av strukturen. Detta ökade den tillgängliga ytan för reaktioner att äga rum.

"Med ramar, vi öppnade strukturen helt och gjorde oss av med de nedgrävda icke-funktionella bulkatomerna. Det finns fortfarande ett stort antal aktiva sajter på nanoframes som kan nås från alla håll, " sa Stamenkovic.

Efter att ha eroderat materialet, forskarna från Argonne och Berkeley ville säkerställa dess stabilitet i det hårda, mycket krävande elektrokemisk miljö. Att göra så, de skapade ett "andra skal" av platina över nanoramen, öka dess hållbarhet.

Enligt Yang, nanokatalysatorramarna erbjuder ett antal fördelar. "I motsats till andra syntesprocedurer för ihåliga nanostrukturer som involverar korrosion inducerad av starka oxidationsmedel eller applicerad potential, vår metod fortsätter spontant i luften, " sade han. "Den öppna strukturen av våra platina/nickel nanoframes adresserar några av de viktigaste designkriterierna för avancerade elektrokatalysatorer i nanoskala, inklusive högt yta-till-volymförhållande, 3D ytmolekylär tillgänglighet och avsevärt reducerad användning av ädelmetaller."

"Våra resultat beskriver en ny klass av material baserad på den ihåliga nanoramens öppna arkitektur och dess väldefinierade ytkompositionsprofil, ", tillade Stamenkovic. "Tekniken för att göra dessa ihåliga nanoramar kan lätt appliceras på andra multimetalliska elektrokatalysatorer eller gasfaskatalysatorer. Vi är ganska optimistiska om dess kommersiella lönsamhet."

En artikel baserad på forskningen med titeln "Highly Crystalline Multimetallic Nanoframes with Three-Dimensional Electrocatalytic Surfaces" dyker upp i 27 februari-upplagan av Science Express och kommer att publiceras inom kort Vetenskap .