p A escassez de platina impede o uso generalizado de células de combustível, que fornecem energia de forma eficiente e sem poluentes. Substituir parte ou todo esse metal raro e caro por metais comuns em um reativo, a forma de nanopartículas altamente sintonizáveis ​​pode expandir o uso de células de combustível. No Pacific Northwest National Laboratory, os cientistas fizeram essas nanopartículas de metal com uma nova técnica baseada em gás e aterramento suave de íons. Como um benefício adicional, as partículas estão vazias, sem uma camada de cobertura que reveste suas superfícies e reduz sua reatividade. p Substituir motores de combustão ineficientes e poluentes por células de combustível não é viável atualmente porque as células requerem catalisadores à base de platina. O estudo PNNL mostra como criar partículas com reatividade semelhante à da platina que substituem parte da platina por metais abundantes na Terra. As implicações desta nova técnica de preparação vão muito além das células de combustível. Pode ser usado para criar nanomateriais de liga para células solares, catalisadores heterogêneos para uma variedade de reações químicas, e dispositivos de armazenamento de energia.

p "O novo método dá aos cientistas um controle preciso sobre a composição e morfologia das nanopartículas de liga nas superfícies, "disse o Dr. Grant Johnson, um químico físico PNNL que liderou o estudo.

p A equipe criou as nanopartículas usando pulverização catódica de magnetron e agregação de gás. Eles os colocaram em uma superfície usando técnicas de pouso suave de íons planejadas no PNNL. O resultado é uma camada de nanopartículas nuas feitas de dois metais diferentes que está livre de camadas de cobertura, reagentes residuais, e moléculas de solvente que são inevitáveis ​​com partículas sintetizadas em solução.

p O processo começa quando os cientistas carregam discos de metal de 1 polegada de diâmetro em um instrumento que combina a formação de partículas e a deposição de íons. Uma vez que os metais são bloqueados em uma câmara de vácuo na região de agregação, gás argônio é introduzido. Na presença de uma grande voltagem, o argônio se ioniza e vaporiza os metais por meio de pulverização catódica. Os íons metálicos viajam através de uma região resfriada, onde colidem entre si e se unem. O resultado são nanopartículas de metal iônico puro com cerca de 4 a 10 nanômetros de diâmetro. O espectrômetro de massa filtra as partículas iônicas, removendo aqueles que não atendem ao tamanho desejado. As partículas filtradas são então depositadas suavemente em uma superfície de escolha, como o carbono vítreo, um material de eletrodo comumente usado.

p A criação de partículas de liga na fase gasosa oferece uma série de benefícios. A abordagem baseada em solução convencional muitas vezes resulta em aglomerados de metais diferentes, em vez de nanopartículas homogêneas com a forma desejada. Avançar, as partículas carecem de uma camada de cobertura. Isso elimina a necessidade de remover essas camadas e limpar as partículas, o que os torna mais eficientes de usar.

p "Um benefício importante é que nos permite contornar certas limitações termodinâmicas que ocorrem quando as partículas são criadas em solução, "disse Johnson." Isso nos permite criar ligas com conformações e constituintes elementares consistentes. Além disso, a abordagem de fase gasosa cineticamente limitada também permite a deposição de espécies intermediárias que reagiriam na solução. "

p A cobertura da superfície resultante é controlada por quanto tempo as partículas são direcionadas à superfície e pela intensidade do feixe de íons. Em períodos de tempo relativamente curtos em superfícies planas, as nanopartículas ligam-se aleatoriamente. Deixe o processo rodando por mais tempo e um filme contínuo se forma. As superfícies escalonadas resultam nas nanopartículas formando cadeias lineares nas bordas do degrau com baixa cobertura. Com tempos mais longos e uma superfície com defeitos, as partículas se aglomeram nas imperfeições, fornecendo uma maneira de personalizar superfícies com áreas ricas em partículas e espaços abertos adjacentes. Os experimentos de caracterização foram feitos usando o microscópio de força atômica, microscópios eletrônicos de varredura e transmissão, bem como outras ferramentas no EMSL do DOE, um centro de usuário científico nacional.

p Embora este trabalho se concentre em nanopartículas individuais, o resultado final é um array estendido com implicações que vão desde a escala atômica até a mesoescala. "A pesquisa em mesoescala é sobre como as coisas funcionam juntas em matrizes estendidas, "disse Johnson, "e, isso é exatamente o que construímos com sucesso aqui. "

p Os pesquisadores agora estão explorando diferentes combinações de metais com várias proporções de platina para obter as características desejadas para os catalisadores de células de combustível. Eles planejam estudar mais essas partículas no novo microscópio eletrônico de transmissão in situ, planejado para abrir no EMSL em 2015, para entender como as partículas evoluem em ambientes reativos.