Platinas brist hindrar utbredd användning av bränsleceller, som ger energi effektivt och utan föroreningar. Att ersätta en del eller hela denna sällsynta och dyra metall med vanliga metaller i en reaktiv, mycket inställbar nanopartikelform kan utöka användningen av bränsleceller. Vid Pacific Northwest National Laboratory, forskare tillverkade sådana metallnanopartiklar med en ny gasbaserad teknik och mjuklandning av joner. Som en extra fördel, partiklarna är nakna, utan ett täckande lager som täcker deras ytor och minskar deras reaktivitet.

Att ersätta ineffektiva och förorenande förbränningsmotorer med bränsleceller är för närvarande inte genomförbart eftersom cellerna kräver platinabaserade katalysatorer. PNNL-studien visar hur man skapar partiklar med liknande reaktivitet som platina som ersätter en del av platina med metaller som finns i jord. Implikationerna av denna nya förberedelseteknik går långt utöver bränsleceller. Det kan användas för att skapa legerade nanomaterial för solceller, heterogena katalysatorer för en mängd olika kemiska reaktioner, och energilagringsanordningar.

"Den nya metoden ger forskare fin kontroll över sammansättningen och morfologin hos legeringsnanopartiklarna på ytor, " sa Dr Grant Johnson, en PNNL fysikalisk kemist som ledde studien.

Teamet skapade nanopartiklarna med hjälp av magnetronförstoftning och gasaggregering. De placerade dem på en yta med hjälp av mjuka jonlandningstekniker som utformats vid PNNL. Resultatet är ett lager av bara nanopartiklar gjorda av två olika metaller som är fritt från täckande lager, kvarvarande reaktanter, och lösningsmedelsmolekyler som är oundvikliga med partiklar syntetiserade i lösning.

Processen börjar när forskarna laddar 1-tums metallskivor i ett instrument som kombinerar partikelbildning och jonavsättning. När metallerna är låsta i en vakuumkammare i aggregationsområdet, argongas införs. I närvaro av en hög spänning blir argon joniserat och förångar metallerna genom sputtering. Metalljonerna färdas genom ett kylt område där de kolliderar med varandra och håller ihop. Resultatet är nanopartiklar av nakna joniska metaller som är cirka 4 till 10 nanometer i diameter. Masspektrometern filtrerar jonpartiklarna, ta bort de som inte uppfyller önskad storlek. De filtrerade partiklarna landas sedan mjukt på valfri yta, som glasartat kol, ett vanligt använt elektrodmaterial.

Att skapa legeringspartiklarna i gasfasen ger en mängd fördelar. Den konventionella lösningsbaserade metoden resulterar ofta i klumpar av de olika metallerna, snarare än homogena nanopartiklar med önskad form. Ytterligare, partiklarna saknar ett täckskikt. Detta eliminerar behovet av att ta bort dessa lager och rengöra partiklarna, vilket gör dem mer effektiva att använda.

"En viktig fördel är att det tillåter oss att överskrida vissa termodynamiska begränsningar som uppstår när partiklarna skapas i lösning, ", sa Johnson. "Detta tillåter oss att skapa legeringar med konsekventa elementära beståndsdelar och konformation. Vidare, den kinetiskt begränsade gasfasmetoden möjliggör också avsättning av mellanliggande arter som skulle reagera bort i lösning."

Täckningen av den resulterande ytan styrs av hur länge partiklarna riktas mot ytan och intensiteten av jonstrålen. Vid relativt korta tidsramar på plana ytor, nanopartiklarna binder slumpmässigt. Låt processen pågå längre och en kontinuerlig film bildas. Avtrappade ytor resulterar i att nanopartiklarna bildar linjära kedjor på stegkanterna vid låg täckning. Med längre tider och en yta med defekter, partiklarna samlas på ofullkomligheterna, ger ett sätt att skräddarsy ytor med partikelrika ytor och angränsande öppna ytor. Karakteriseringsexperimenten gjordes med hjälp av atomkraftmikroskopet, scannings- och transmissionselektronmikroskop, såväl som andra verktyg i DOE:s EMSL, en nationell vetenskaplig användaranläggning.

Även om detta arbete fokuserar på enskilda nanopartiklar, slutresultatet är en utökad array med implikationer som sträcker sig från atomskalan till mesoskalan. "Mesoskala forskning handlar om hur saker fungerar tillsammans i utökade arrayer, sa Johnson, "och, det är precis vad vi framgångsrikt har byggt här."

Forskarna undersöker nu olika metallkombinationer med olika platinaförhållanden för att få de önskade egenskaperna för bränslecellskatalysatorer. De planerar att ytterligare studera dessa partiklar i det nya in situ transmissionselektronmikroskopet, planeras att öppna i EMSL 2015, att förstå hur partiklarna utvecklas i reaktiva miljöer.