Samen beter: wetenschappers ontdekken toepassingen van nanodeeltjes met meerdere elementen

Een opkomend type gelegeerde nanodeeltjes blijkt stabieler en duurzamer dan nanodeeltjes met één element.

Katalysatoren zijn een integraal onderdeel van talloze aspecten van de moderne samenleving. Door belangrijke chemische reacties te versnellen, ondersteunen katalysatoren de industriële productie en verminderen ze schadelijke emissies. Ze verhogen ook de efficiëntie in chemische processen voor toepassingen variërend van batterijen en transport tot bier en wasmiddelen.

Hoe belangrijk katalysatoren ook zijn, de manier waarop ze werken, is voor wetenschappers vaak een raadsel. Inzicht in katalytische processen kan wetenschappers helpen om efficiëntere en kosteneffectievere katalysatoren te ontwikkelen. In een recente studie ontdekten wetenschappers van de University of Illinois Chicago (UIC) en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) dat tijdens een chemische reactie die katalytische materialen vaak snel afbreekt, een bepaald type katalysator uitzonderlijk hoge stabiliteit en stabiliteit vertoont. duurzaamheid.

De katalysatoren in deze studie zijn legering nanodeeltjes, of nanogrootte deeltjes die bestaan ​​uit meerdere metalen elementen, zoals kobalt, nikkel, koper en platina. Deze nanodeeltjes zouden meerdere praktische toepassingen kunnen hebben, waaronder watersplitsing om waterstof te genereren in brandstofcellen; vermindering van kooldioxide door het af te vangen en om te zetten in bruikbare materialen zoals methanol; efficiëntere reacties in biosensoren om stoffen in het lichaam te detecteren; en zonnecellen die effectiever warmte, elektriciteit en brandstof produceren.

In deze studie onderzochten de wetenschappers nanodeeltjes met “hoge entropie” (zeer stabiele) legeringen. Het team van onderzoekers, geleid door Reza Shahbazian-Yassar bij UIC, gebruikte Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit, om de samenstelling van de deeltjes tijdens oxidatie te karakteriseren, een proces dat het materiaal degradeert en het bruikbaarheid bij katalytische reacties.

“Met behulp van gasstroomtransmissie-elektronenmicroscopie (TEM) bij CNM kunnen we het hele oxidatieproces in realtime en met een zeer hoge resolutie vastleggen”, zegt wetenschapper Bob Song van UIC, een hoofdwetenschapper van de studie. “We ontdekten dat de nanodeeltjes van legering met hoge entropie oxidatie veel beter kunnen weerstaan ​​dan gewone metaaldeeltjes.”

Om de TEM uit te voeren, hebben de wetenschappers de nanodeeltjes ingebed in een siliciumnitridemembraan en verschillende soorten gas door een kanaal over de deeltjes laten stromen. Een elektronenbundel onderzocht de reacties tussen de deeltjes en het gas en onthulde de lage oxidatiesnelheid en de migratie van bepaalde metalen – ijzer, kobalt, nikkel en koper – naar de oppervlakken van de deeltjes tijdens het proces.

“Ons doel was om te begrijpen hoe snel materialen met hoge entropie reageren met zuurstof en hoe de chemie van nanodeeltjes evolueert tijdens een dergelijke reactie”, zegt Shahbazian-Yassar, UIC-professor mechanische en industriële engineering aan het College of Engineering.

Volgens Shahbazian-Yassar zouden de ontdekkingen die in dit onderzoek zijn gedaan ten goede kunnen komen aan veel technologieën voor energieopslag en -conversie, zoals brandstofcellen, lithium-luchtbatterijen, supercondensatoren en katalysatormaterialen. De nanodeeltjes zouden ook kunnen worden gebruikt om corrosiebestendige en hoge temperatuurmaterialen te ontwikkelen.

“Dit was een geslaagde showcase van hoe de capaciteiten en diensten van CNM kunnen voldoen aan de behoeften van onze medewerkers”, zei Yuzi Liu van Argonne, een wetenschapper bij CNM. “We hebben ultramoderne faciliteiten en we willen ook ultramoderne wetenschap leveren.”