Forskare vid Ruhr-Universität Bochum och Fritz Haber Institute Berlin har utvecklat en ny metod för att spara sällsynta och dyra katalysatorer och använda dem sparsamt. De inneslutna ett ädelmetallsalt i små miceller, och slog dem mot en kolelektrod, belägger alltså ytan med nanopartiklar av ädelmetallen som finns i micellerna. På samma gång, teamet analyserade exakt hur mycket av metallen som deponerades. Forskarna visade sedan att elektroden belagd på detta sätt effektivt kunde katalysera syrereduktionen, som är den begränsande kemiska processen i bränsleceller.

Laget, ledd av professor Kristina Tschulik och Mathies Evers från Bochum Research Group for Electrochemistry and Nanoscale Materials beskriver processen i tidskriften Angewandte Chemie , publiceras online i förväg den 11 april 2019.

Producerar partiklar av samma storlek

Forskargruppen tog fram guldnanopartiklarna med hjälp av miceller. Partiklarna bestod till en början av en prekursorsubstans, klorourinsyra, som var insvept i ett yttre polymerskal. Fördelen:"När vi producerar guldnanopartiklar med hjälp av miceller, nanopartiklarna är alla av nästan identisk storlek, säger Kristina Tschulik, en huvudutredare av Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv). Endast en viss belastning av prekursormaterialet, av vilken en enskild partikel av en viss storlek produceras, passar inuti den lilla micellen. "Eftersom partiklar av olika storlekar har olika katalytiska egenskaper, det är viktigt att kontrollera partikelstorleken med hjälp av micellens lastmängd, ", tillägger Tschulik.

Enhetlig beläggning, även på komplexa ytor

För att belägga den cylindriska elektroden, forskarna sänkte ner den i en lösning som innehöll de laddade micellerna och lade på en spänning på elektroden. Den slumpmässiga rörelsen av micellerna i lösningen fick dem att slå mot elektrodytan med tiden.

Där, det yttre skalet sprack upp och guldjonerna från klorourinsyran reagerade och bildade elementärt guld, som fäste vid elektrodytan som ett enhetligt lager av nanopartiklar. "Endast plana substrat kan beläggas enhetligt med nanopartiklar med standardmetoder, " förklarar Tschulik. "Vår process innebär att även komplexa ytor kan belastas enhetligt med en katalysator."

Separerad kvantitet exakt styrbar

Medan guldjonerna från klorourinsyran reagerar för att bilda elementärt guld, elektroner flödar. Genom att mäta den resulterande strömmen, kemisterna kan avgöra exakt hur mycket material som användes för att belägga elektroden. På samma gång, metoden registrerar påverkan av varje enskild partikel och dess storlek.

Forskarna testade framgångsrikt syrereduktionsreaktionen hos de belagda elektroderna med den nya processen. De uppnådde en aktivitet lika hög som den för nakna guldnanopartiklar utan ett yttre skal. På grund av den enhetliga beläggningen av ytan, de observerade också en reaktionshastighet som var nästan lika hög som för elektroder helt täckta med guld och elektroder av solid guld med bara elva procents täckning.