Illustration av den steg-för-steg-syntesprocess för framställning av ternära nanopartikelkatalysatorer och omarrangering av elektronstruktur genom elektronöverföring mellan metallatomer. Kredit:Korea Institute of Science and Technology (KIST)
Ett forskarlag i Korea har syntetiserat metallnanopartiklar som drastiskt kan förbättra prestandan hos vätebränslecellskatalysatorer genom att använda halvledartillverkningsteknologi. Korea Institute of Science and Technology (KIST) meddelade att forskargruppen ledd av Dr. Sung Jong Yoo från Hydrogen Fuel Cell Research Center har lyckats syntetisera nanopartiklar med en fysisk metod snarare än de befintliga kemiska reaktionerna genom att använda sputterteknologin, som är en tunn metallfilmsavsättningsteknik som används vid halvledartillverkning.
Metallnanopartiklar har studerats inom olika områden under de senaste decennierna. Nyligen har metallnanopartiklar väckt uppmärksamhet som en kritisk katalysator för vätebränsleceller och vattenelektrolyssystem för att producera väte. Metallnanopartiklar framställs huvudsakligen genom komplexa kemiska reaktioner. Dessutom framställs de av organiska ämnen som är skadliga för miljön och människor. Därför uppstår oundvikligen extra kostnader för deras behandling, och syntesförhållandena är utmanande. Därför krävs en ny nanopartikelsyntesmetod som kan övervinna bristerna i den befintliga kemiska syntesen för att etablera väteenergiregimen.
Sputtringsprocessen som tillämpas av KISTs forskargrupp är en teknik som belägger en tunn metallfilm under halvledartillverkningsprocessen. I denna process används plasma för att skära stora metaller till nanopartiklar, som sedan avsätts på ett substrat för att bilda en tunn film. Forskargruppen förberedde nanopartiklar med "glukos", ett speciellt substrat som förhindrade omvandlingen av metallnanopartiklarna till en tunn film genom att använda plasma under processen. Syntesmetoden använde principen om fysisk ångavsättning med plasma snarare än kemiska reaktioner. Därför kan metallnanopartiklar syntetiseras med denna enkla metod, vilket övervinner begränsningarna hos de befintliga kemiska syntesmetoderna.
TEM-bilder med låg och hög förstoring av PtCo/C och PtCoV/C. Kredit:Korea Institute of Science and Technology (KIST)
Utvecklingen av nya katalysatorer har hindrats eftersom de befintliga kemiska syntesmetoderna begränsade vilka typer av metaller som kunde användas som nanopartiklar. Dessutom måste syntesförhållandena ändras beroende på typen av metall. Det har dock blivit möjligt att syntetisera nanopartiklar av mer olika metaller genom den utvecklade syntesmetoden. Dessutom, om denna teknik appliceras samtidigt på två eller flera metaller, kan legeringsnanopartiklar av olika sammansättning syntetiseras. Detta skulle leda till utvecklingen av högpresterande nanopartikelkatalysatorer baserade på legeringar av olika sammansättning.
KIST-forskargruppen syntetiserade en nanopartikelkatalysator av platina-kobolt-vanadinlegering med denna teknik och använde den för syrereduktionsreaktionen i vätebränslecellselektroder. Som ett resultat var katalysatoraktiviteten sju och tre gånger högre än för platina- och platina-koboltlegeringskatalysatorer som används kommersiellt som katalysatorer för vätebränsleceller. Vidare undersökte forskarna effekten av det nytillsatta vanadinet på andra metaller i nanopartiklarna. De fann att vanadin förbättrade katalysatorns prestanda genom att optimera platina-syrebindningsenergin genom datorsimulering.
Dr. Sung Jong Yoo från KIST kommenterade, "Genom denna forskning har vi utvecklat en syntesmetod baserad på ett nytt koncept, som kan tillämpas på forskning fokuserad på metallnanopartiklar mot utveckling av vattenelektrolyssystem, solceller, petrokemikalier." Han tillade, "Vi kommer att sträva efter att etablera en komplett väteekonomi och utveckla koldioxidneutral teknik genom att tillämpa legerade nanopartiklar med nya strukturer, som har varit svåra att implementera, för att [utveckla] miljövänlig energiteknik inklusive vätebränsleceller." + Utforska vidare
