Imagen de microscopía electrónica que muestra la combinación núcleo-capa de paladio-óxido de magnesio. Los puntos blancos son nanopartículas de paladio. La ligera neblina alrededor de cada nanopartícula es la capa porosa de óxido de magnesio. Las nanopartículas de paladio no se sinterizan juntas y mantienen espacios entre sí debido a estas capas. Esto maximiza su capacidad para reaccionar con productos químicos.
No existen soluciones mágicas para las necesidades energéticas mundiales. Pero las pilas de combustible en las que la energía eléctrica se aprovecha directamente de la energía, Las reacciones químicas autosostenibles prometen alternativas más baratas a los combustibles fósiles.
Para facilitar una conversión de energía más rápida en estas células, Los científicos dispersan nanopartículas hechas de metales especiales llamados metales 'nobles', por ejemplo oro, plata y platino a lo largo de la superficie de un electrodo. Estos metales no responden químicamente como otros metales en la macroescala, pero sus átomos se vuelven más sensibles en la nanoescala. Las nanopartículas hechas de estos metales actúan como catalizador, mejorando la velocidad de la reacción química necesaria que libera electrones del combustible. Mientras las nanopartículas se pulverizan sobre el electrodo, se aplastan como masilla, formando racimos más grandes. Esta tendencia a la compactación, llamado sinterización, reduce la superficie total disponible para que las moléculas del combustible interactúen con las nanopartículas catalíticas, impidiéndoles así desarrollar todo su potencial en estas pilas de combustible.
Investigación de la Unidad de Nanopartículas por Diseño en la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST), en colaboración con el Laboratorio Nacional SLAC en los EE. UU. y el Centro Austriaco de Microscopía Electrónica y Nanoanálisis, ha desarrollado una forma de evitar la compactación de las nanopartículas de metales nobles, encapsulándolos individualmente dentro de una cáscara porosa hecha de un óxido metálico. Los investigadores de OIST publicaron sus hallazgos en nanoescala. Su trabajo tiene aplicaciones inmediatas en el campo de la nanocatálisis para la fabricación de pilas de combustible más eficientes.
Los investigadores de OIST diseñaron un sistema novedoso. Encapsularon nanopartículas de paladio en una capa de óxido de magnesio. Luego, dispersaron esta combinación de núcleo y carcasa en un electrodo y midieron las capacidades del electrodo sumergido para mejorar la velocidad de la reacción electroquímica que ocurre en las celdas de combustible de metanol. Demostraron que las nanopartículas de paladio encapsuladas ofrecen un rendimiento significativamente superior al de las nanopartículas de paladio desnudas.
Vidyadhar Singh se encuentra junto al avanzado sistema de deposición de nanopartículas en OIST.
Los investigadores de la OIST se habían dado cuenta previamente de que las nanopartículas de óxido de magnesio podían formar capas porosas alrededor de las nanopartículas de metales nobles mientras estudiaban las nanopartículas de magnesio y paladio por separado. La porosidad de esta armadura adicional asegura que no bloquee las moléculas del combustible para que no lleguen al paladio encapsulado. Las imágenes de microscopía electrónica confirmaron que la capa de óxido de magnesio simplemente actúa como un espaciador entre los núcleos de paladio mientras intentan adherirse entre sí. permitiendo que cada uno se dé cuenta de todo su potencial reactivo.
El avanzado sistema de deposición de nanopartículas en OIST permitió a los investigadores ajustar los parámetros experimentales y variar el grosor de la capa de encapsulación, así como el número de nanopartículas de paladio en el núcleo con relativa facilidad. El ajuste de tamaños y estructuras de nanopartículas altera sus propiedades físicas y químicas para diferentes aplicaciones.
"Se pueden probar más combinaciones de núcleo y carcasa con nuestra técnica, con metales más baratos que el paladio, por ejemplo, como el níquel o el hierro. Nuestros resultados son lo suficientemente prometedores para continuar en esta nueva dirección, "dijo Vidyadhar Singh, el primer autor del artículo, y becario postdoctoral bajo la supervisión del Prof. Mukhles Sowwan, el director de Nanoparticles by Design Unit de OIST, quien también fue autor correspondiente del artículo.
