MIT-forskare och kollegor har visat ett sätt att exakt kontrollera storleken, sammansättningen och andra egenskaper hos nanopartiklar som är nyckeln till reaktionerna involverade i en mängd olika ren energi- och miljöteknik. De gjorde det genom att utnyttja jonbestrålning, en teknik där strålar av laddade partiklar bombarderar ett material.
De fortsatte med att visa att nanopartiklar skapade på detta sätt har överlägsen prestanda jämfört med sina konventionellt tillverkade motsvarigheter.
"Materialen vi har arbetat med kan främja flera tekniker, från bränsleceller till att generera CO2 -fri elektricitet för produktion av rena vätgasråvaror för den kemiska industrin [genom elektrolysceller], säger Bilge Yildiz, ledare för arbetet och professor vid MIT:s avdelning för kärnvetenskap och teknik och avdelningen för materialvetenskap och teknik.
Bränsle- och elektrolysceller involverar båda elektrokemiska reaktioner genom tre huvuddelar:två elektroder (en katod och anod) åtskilda av en elektrolyt. Skillnaden mellan de två cellerna är att de involverade reaktionerna går i omvänd riktning.
Elektroderna är belagda med katalysatorer, eller material som gör att reaktionerna går snabbare. Men en kritisk katalysator gjord av metalloxidmaterial har begränsats av utmaningar inklusive låg hållbarhet. "Metallkatalysatorpartiklarna grovnar vid höga temperaturer, och du förlorar ytarea och aktivitet som ett resultat", säger Yildiz, som också är knuten till Materials Research Laboratory och är författare till en artikel om arbetet som publicerats i tidskriften Energi- och miljövetenskap .
Gå in i metallexsolution, vilket innebär att metallnanopartiklar fälls ut ur en värdoxid på elektrodens yta. Partiklarna bäddar in sig i elektroden, "och den förankringen gör dem mer stabila", säger Yildiz. Som ett resultat har exsolution "ledt till anmärkningsvärda framsteg inom ren energiomvandling och energieffektiva datorenheter", skriver forskarna i sin artikel.
Det har dock varit svårt att kontrollera de exakta egenskaperna hos de resulterande nanopartiklarna. "Vi vet att exsolution kan ge oss stabila och aktiva nanopartiklar, men den utmanande delen är egentligen att kontrollera det. Det nya med det här arbetet är att vi har hittat ett verktyg - jonbestrålning - som kan ge oss den kontrollen", säger Jiayue Wang, första författare av tidningen. Wang, som ledde arbetet samtidigt som han fick sin MIT Ph.D. vid Institutionen för kärnvetenskap och teknik, är nu postdoktor vid Stanford.
Sossina Haile är Walter P. Murphy professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern University. Säger Haile, som inte var involverad i det aktuella arbetet, "Metalliska nanopartiklar fungerar som katalysatorer i en mängd reaktioner, inklusive den viktiga reaktionen att klyva vatten för att generera väte för energilagring. I detta arbete har Yildiz och kollegor skapat en genialisk metod för att kontrollera hur nanopartiklar bildas."
Haile fortsätter, "gemenskapen har visat att utlösning resulterar i strukturellt stabila nanopartiklar, men processen är inte lätt att kontrollera, så man får inte nödvändigtvis det optimala antalet och storleken av partiklar. Genom att använda jonbestrålning kunde denna grupp exakt kontrollera egenskaperna hos nanopartiklarna, vilket resulterar i utmärkt katalytisk aktivitet för vattenspjälkning."
Forskarna fann att genom att rikta en stråle av joner mot elektroden samtidigt som metallnanopartiklar löstes ut på elektrodens yta kunde de kontrollera flera egenskaper hos de resulterande nanopartiklarna.
"Genom jon-materia-interaktioner har vi framgångsrikt konstruerat storleken, sammansättningen, densiteten och platsen för de lösta nanopartiklarna", skriver teamet i Energy &Environmental Science .
Till exempel skulle de kunna göra partiklarna mycket mindre – ner till två miljarddels meter i diameter – än de som tillverkas med enbart konventionella termiska utlösningsmetoder. Vidare kunde de ändra sammansättningen av nanopartiklarna genom att bestråla med specifika element. De visade detta med en stråle av nickeljoner som implanterade nickel i den lösta metallnanopartikeln. Som ett resultat visade de ett direkt och bekvämt sätt att konstruera sammansättningen av lösta nanopartiklar.
"Vi vill ha multi-element nanopartiklar, eller legeringar, eftersom de vanligtvis har högre katalytisk aktivitet," säger Yildiz. "Med vårt tillvägagångssätt behöver exlösningsmålet inte vara beroende av själva substratoxiden." Bestrålning öppnar dörren till många fler kompositioner. "Vi kan i stort sett välja vilken oxid och vilken jon som helst som vi kan bestråla med och lösa upp", säger Yildiz.
Teamet fann också att jonbestrålning bildar defekter i själva elektroden. Och dessa defekter ger ytterligare kärnbildningsställen, eller platser för de lösta nanopartiklarna att växa från, vilket ökar densiteten hos de resulterande nanopartiklarna.
Bestrålning kan också tillåta extrem rumslig kontroll över nanopartiklarna. "Eftersom du kan fokusera jonstrålen kan du föreställa dig att du kan "skriva" med den för att bilda specifika nanostrukturer, säger Wang. "Vi gjorde en preliminär demonstration [av det], men vi tror att det har potential att realisera välkontrollerade mikro- och nanostrukturer."
Teamet visade också att nanopartiklarna de skapade med jonbestrålning hade överlägsen katalytisk aktivitet jämfört med de som skapades av enbart konventionell termisk utlösning.
Mer information: Jiayue Wang et al, Jonbestrålning för att kontrollera storlek, sammansättning och spridning av metallnanopartiklars utlösning, Energy &Environmental Science (2023). DOI:10.1039/D3EE02448B
Journalinformation: Energi- och miljövetenskap
Tillhandahålls av Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
