Forskare vid National Institute of Standards and Technology har utvecklat en snabb, enkel process för att göra platina "nano-hallon" - mikroskopiska kluster av partiklar i nanoskala av ädelmetallen. Den bärliknande formen är betydande eftersom den har en stor yta, vilket är användbart vid utformningen av katalysatorer. Ännu bättre nyheter för industriella kemister:forskarna kom på när och varför bärklasarna klumpar sig till större klasar av "nano-druvor."

Forskningen kan bidra till att göra bränsleceller mer praktiska. Nanopartiklar kan fungera som katalysatorer för att omvandla metanol till elektricitet i bränsleceller. NIST:s 40-minutersprocess för att göra nanohallon, beskrivs i en ny tidning, har flera fördelar. Bärens höga yta uppmuntrar effektiva reaktioner. Dessutom, NIST-processen använder vatten, ett godartat eller "grönt" lösningsmedel. Och klasarna katalyserar metanolreaktioner konsekvent och är stabila vid rumstemperatur i minst åtta veckor.

Även om bären var gjorda av platina, metallen är dyr och användes endast som modell. Studien kommer faktiskt att hjälpa till att vägleda sökandet efter alternativa katalysatormaterial, och klumpbeteende i lösningsmedel är en nyckelfråga. För bränsleceller, nanopartiklar blandas ofta med lösningsmedel för att binda dem till en elektrod. För att lära dig hur sådana formler påverkar partikelegenskaper, NIST-teamet mätte partikelklumpning i fyra olika lösningsmedel för första gången. För applikationer som flytande metanolbränsleceller, katalysatorpartiklar bör förbli separerade och dispergerade i vätskan, inte klumpat.

"Vår innovation har lite att göra med platina och allt att göra med hur nya material testas i laboratoriet, säger projektledaren Kavita Jeerage. ”Vårt kritiska bidrag är att efter att du gjort ett nytt material måste du göra val. Vårt papper handlar om ett val:vilket lösningsmedel som ska användas. Vi gjorde partiklarna i vatten och testade om man kunde lägga dem i andra lösningsmedel. Vi fick reda på att det här valet är en stor sak.

NIST-teamet mätte förhållanden under vilka platinapartiklar, i storlek från 3 till 4 nanometer (nm) i diameter, agglomererade till klasar 100 nm breda eller större. De fann att klumpning beror på lösningsmedlets elektriska egenskaper. Hallonen bildar större druvklasar i lösningsmedel som är mindre polära, ' det är, där lösningsmedelsmolekyler saknar områden med starkt positiva eller negativa laddningar, (vatten är en starkt polär molekyl).

Det förväntade sig forskarna. Vad de inte förväntade sig är att trenden inte skalar på ett förutsägbart sätt. De fyra lösningsmedlen som studerades var vatten, metanol, etanol och isopropanol, ordnas genom minskande polaritet. Det fanns inte mycket agglomeration i metanol; klasar blev cirka 30 procent större än de var i vatten. Men i etanol och isopropanol, klumparna blev 400 procent och 600 procent större, respektive — riktigt enorma klasar. Detta är en mycket dålig suspensionskvalitet för katalytiska ändamål.

Eftersom nanopartiklarna klumpar sig långsamt och inte för mycket i metanol, forskarna drog slutsatsen att partiklarna kunde överföras till det lösningsmedlet, förutsatt att de skulle användas inom några dagar - vilket effektivt sätter ett utgångsdatum på katalysatorn.