Elektronmikroskopibild som visar kombinationen palladium-magnesiumoxid kärna-skal. De vita prickarna är palladiumnanopartiklar. Det lätta diset runt varje nanopartikel är det porösa magnesiumoxidskalet. Palladium-nanopartiklarna sintras inte ihop och upprätthåller utrymmen mellan varandra på grund av dessa skal. Detta maximerar deras förmåga att reagera med kemikalier.
Det finns inga magiska kulor för globala energibehov. Men bränsleceller där elektrisk energi utnyttjas direkt från levande, självförsörjande kemiska reaktioner lovar billigare alternativ till fossila bränslen.
För att underlätta snabbare energiomvandling i dessa celler, forskare sprider nanopartiklar gjorda av speciella metaller som kallas "ädla" metaller, till exempel guld, silver och platina längs ytan av en elektrod. Dessa metaller är inte lika kemiskt känsliga som andra metaller på makroskala men deras atomer blir mer känsliga på nanoskala. Nanopartiklar tillverkade av dessa metaller fungerar som en katalysator, öka hastigheten för den nödvändiga kemiska reaktionen som frigör elektroner från bränslet. Medan nanopartiklarna sputteras på elektroden kläms de ihop som spackel, bildar större kluster. Denna komprimerande tendens, kallas sintring, minskar den totala ytarean som är tillgänglig för molekyler av bränslet för att interagera med de katalytiska nanopartiklarna, vilket hindrar dem från att förverkliga sin fulla potential i dessa bränsleceller.
Forskning av Nanopartiklar av Design Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), i samarbete med SLAC National Laboratory i USA och Austrian Center for Electron Microscopy and Nanoanalysis, har utvecklat ett sätt att förhindra ädelmetallnanopartiklar från att kompakteras, genom att kapsla in dem individuellt i ett poröst skal tillverkat av en metalloxid. OIST-forskarna publicerade sina resultat i Nanoscale. Deras arbete har omedelbara tillämpningar inom området nanokatalys för tillverkning av effektivare bränsleceller.
OIST-forskarna designade ett nytt system. De kapslade in palladiumnanopartiklar i ett skal av magnesiumoxid. Sedan spred de denna kärna-skal-kombination på en elektrod och mätte den nedsänkta elektrodens förmåga att förbättra hastigheten på den elektrokemiska reaktion som sker i metanolbränsleceller. De visade att inkapslade palladiumnanopartiklar ger en betydligt överlägsen prestanda än nakna palladiumnanopartiklar.
Vidyadhar Singh står bredvid det avancerade nanopartikelavsättningssystemet vid OIST.
OIST-forskarna hade tidigare insett att nanopartiklar av magnesiumoxid kunde bilda porösa skal runt nanopartiklar av ädelmetall medan de studerade magnesium- och palladiumnanopartiklar separat. Porositeten hos denna extra rustning säkerställer att den inte avskärmar molekyler av bränslet från att nå det inkapslade palladiumet. Elektronmikroskopibilder bekräftade att magnesiumoxidskalet helt enkelt fungerar som en distans mellan palladiumkärnorna när de försöker hålla sig till varandra, låta var och en förverkliga sin fulla reaktiva potential.
Det avancerade nanopartikelavsättningssystemet vid OIST gjorde det möjligt för forskarna att finjustera de experimentella parametrarna och variera tjockleken på det inkapslande skalet såväl som antalet palladiumnanopartiklar i kärnan med relativ lätthet. Inställning av storlekar och strukturer hos nanopartiklar förändrar deras fysikaliska och kemiska egenskaper för olika tillämpningar.
"Fler kombinationer av kärna och skal kan provas med vår teknik, med metaller billigare än palladium till exempel, som nickel eller järn. Våra resultat visar tillräckligt mycket löfte för att fortsätta i denna nya riktning, " sa Vidyadhar Singh, tidningens första författare, och postdoktor under överinseende av prof. Mukhles Sowan, chefen för OIST:s Nanopartiklar av Design Unit, som också var motsvarande författare till tidningen.
