En ny typ av legeringsnanopartiklar visar sig vara mer stabila, hållbara än enelements nanopartiklar.

Katalysatorer är en integrerad del av otaliga aspekter av det moderna samhället. Genom att påskynda viktiga kemiska reaktioner, katalysatorer stödjer industriell tillverkning och minskar skadliga utsläpp. De ökar också effektiviteten i kemiska processer för applikationer som sträcker sig från batterier och transport till öl och tvättmedel.

Lika betydelsefulla som katalysatorer är, hur de fungerar är ofta ett mysterium för forskare. Att förstå katalytiska processer kan hjälpa forskare att utveckla mer effektiva och kostnadseffektiva katalysatorer. I en nyligen genomförd studie, forskare från University of Illinois Chicago (UIC) och U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory upptäckte att, under en kemisk reaktion som ofta snabbt bryter ned katalytiska material, en viss typ av katalysator uppvisar exceptionellt hög stabilitet och hållbarhet.

Katalysatorerna i denna studie är legerade nanopartiklar, eller partiklar i nanostorlek som består av flera metalliska element, som kobolt, nickel, koppar och platina. Dessa nanopartiklar kan ha flera praktiska tillämpningar, inklusive vattenuppdelning för att generera väte i bränsleceller; minskning av koldioxid genom att fånga upp och omvandla den till användbara material som metanol; effektivare reaktioner i biosensorer för att upptäcka ämnen i kroppen; och solceller som producerar värme, el och bränsle mer effektivt.

I den här studien, forskarna undersökte "högentropi" (mycket stabila) legerade nanopartiklar. Teamet av forskare, ledd av Reza Shahbazian-Yassar vid UIC, använde Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science-användaranläggning, att karakterisera partiklarnas sammansättning under oxidation, en process som bryter ned materialet och minskar dess användbarhet i katalytiska reaktioner.

"Med hjälp av gasflödestransmissionselektronmikroskopi (TEM) vid CNM, vi kan fånga hela oxidationsprocessen i realtid och med mycket hög upplösning, " sa vetenskapsmannen Bob Song från UIC, en ledande forskare på studien. "Vi fann att nanopartiklarna av högentropilegering kan motstå oxidation mycket bättre än allmänna metallpartiklar."

För att utföra TEM, forskarna bäddade in nanopartiklarna i ett kiselnitridmembran och flödade olika typer av gas genom en kanal över partiklarna. En elektronstråle undersökte reaktionerna mellan partiklarna och gasen, avslöjar den låga oxidationshastigheten och migrationen av vissa metaller - järn, kobolt, nickel och koppar – till partiklarnas ytor under processen.

"Vårt mål var att förstå hur snabbt högentropimaterial reagerar med syre och hur nanopartiklarnas kemi utvecklas under en sådan reaktion, sade Shahbazian-Yassar, UIC professor i maskin- och industriteknik vid Ingenjörshögskolan.

Enligt Shahbazian-Yassar, upptäckterna i denna forskning kan gynna många energilagrings- och omvandlingstekniker, som bränsleceller, litium-luftbatterier, superkondensatorer och katalysatormaterial. Nanopartiklarna skulle också kunna användas för att utveckla korrosionsbeständiga och högtemperaturmaterial.

"Detta var en framgångsrik presentation av hur CNM:s kapacitet och tjänster kan möta behoven hos våra samarbetspartners, " sa Argonnes Yuzi Liu, en vetenskapsman vid CNM. "Vi har toppmoderna faciliteter, och vi vill också leverera toppmodern vetenskap."