La escasez de platino dificulta el uso generalizado de pilas de combustible, que proporcionan energía de manera eficiente y sin contaminantes. Reemplazar parte o todo este metal raro y costoso con metales comunes en un reactivo, La forma de nanopartículas altamente ajustables puede expandir el uso de pilas de combustible. En el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, Los científicos fabricaron nanopartículas de metal con una nueva técnica basada en gases y un aterrizaje suave de iones. Como beneficio adicional, las partículas están desnudas, sin una capa de cobertura que recubre sus superficies y reduce su reactividad.

Reemplazar motores de combustión ineficientes y contaminantes con pilas de combustible no es actualmente factible porque las pilas requieren catalizadores a base de platino. El estudio PNNL muestra cómo crear partículas con una reactividad similar al platino que reemplazan parte del platino con metales abundantes en la Tierra. Las implicaciones de esta nueva técnica de preparación van mucho más allá de las pilas de combustible. Puede utilizarse para crear nanomateriales de aleación para células solares, catalizadores heterogéneos para una variedad de reacciones químicas, y dispositivos de almacenamiento de energía.

"El nuevo método brinda a los científicos un control preciso sobre la composición y morfología de las nanopartículas de aleación en las superficies, "dijo el Dr. Grant Johnson, un químico físico de la PNNL que dirigió el estudio.

El equipo creó las nanopartículas mediante pulverización catódica con magnetrón y agregación de gas. Los colocaron en una superficie utilizando técnicas de aterrizaje suave de iones diseñadas en PNNL. El resultado es una capa de nanopartículas desnudas hechas de dos metales diferentes que está libre de capas de recubrimiento, reactivos residuales, y moléculas de disolvente que son inevitables con partículas sintetizadas en solución.

El proceso comienza cuando los científicos cargan discos de metal de 1 pulgada de diámetro en un instrumento que combina la formación de partículas y la deposición de iones. Una vez que los metales se bloquean en una cámara de vacío en la región de agregación, se introduce gas argón. En presencia de un gran voltaje, el argón se ioniza y vaporiza los metales mediante pulverización catódica. Los iones metálicos viajan a través de una región enfriada donde chocan entre sí y se pegan. El resultado son nanopartículas de metales iónicos desnudos que tienen entre 4 y 10 nanómetros de diámetro. El espectrómetro de masas filtra las partículas iónicas, eliminando aquellos que no cumplen con el tamaño deseado. Las partículas filtradas luego se depositan suavemente sobre una superficie de elección, como el carbono vítreo, un material de electrodo de uso común.

La creación de partículas de aleación en la fase gaseosa proporciona una serie de beneficios. El enfoque convencional basado en soluciones a menudo da como resultado aglomeraciones de los diferentes metales, en lugar de nanopartículas homogéneas con la forma deseada. Más lejos, las partículas carecen de una capa de cobertura. Esto elimina la necesidad de eliminar estas capas y limpiar las partículas, lo que los hace más eficientes de usar.

"Un beneficio importante es que nos permite eludir ciertas limitaciones termodinámicas que ocurren cuando las partículas se crean en solución, ", dijo Johnson." Esto nos permite crear aleaciones con conformación y constituyentes elementales consistentes. Es más, el enfoque de fase gaseosa cinéticamente limitada también permite la deposición de especies intermedias que reaccionarían en solución ".

La cobertura de la superficie resultante se controla por cuánto tiempo se dirigen las partículas a la superficie y la intensidad del haz de iones. En períodos de tiempo relativamente cortos en superficies planas, las nanopartículas se unen al azar. Deje que el proceso se prolongue y se forme una película continua. Las superficies escalonadas dan como resultado que las nanopartículas formen cadenas lineales en los bordes del escalón con una cobertura baja. Con tiempos más largos y una superficie con defectos, las partículas se agrupan en las imperfecciones, proporcionando una forma de adaptar las superficies con áreas ricas en partículas y espacios abiertos adyacentes. Los experimentos de caracterización se realizaron utilizando el microscopio de fuerza atómica, microscopios electrónicos de barrido y transmisión, así como otras herramientas en EMSL del DOE, una instalación nacional para usuarios científicos.

Si bien este trabajo se centra en nanopartículas individuales, el resultado final es una matriz extendida con implicaciones que se extienden desde la escala atómica hasta la mesoescala. "La investigación de mesoescala trata sobre cómo las cosas funcionan juntas en arreglos extendidos, "dijo Johnson, "y, eso es exactamente lo que hemos construido con éxito aquí ".

Los investigadores ahora están explorando diferentes combinaciones de metales con varias proporciones de platino para obtener las características deseadas para los catalizadores de pilas de combustible. Planean seguir estudiando estas partículas en el nuevo microscopio electrónico de transmisión in situ, planeada para abrir en EMSL en 2015, comprender cómo evolucionan las partículas en entornos reactivos.