Investigadores y colegas del MIT han demostrado una forma de controlar con precisión el tamaño, la composición y otras propiedades de las nanopartículas clave para las reacciones involucradas en una variedad de tecnologías ambientales y de energía limpia. Lo hicieron aprovechando la irradiación de iones, una técnica en la que haces de partículas cargadas bombardean un material.
Continuaron demostrando que las nanopartículas creadas de esta manera tienen un rendimiento superior a sus contrapartes fabricadas convencionalmente.
"Los materiales en los que hemos trabajado podrían hacer avanzar varias tecnologías, desde pilas de combustible hasta generar CO2 -electricidad gratuita para la producción de materias primas limpias de hidrógeno para la industria química [a través de células de electrólisis]", dice Bilge Yildiz, líder del trabajo y profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear y del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT.
Tanto las celdas de combustible como las de electrólisis implican reacciones electroquímicas a través de tres partes principales:dos electrodos (un cátodo y un ánodo) separados por un electrolito. La diferencia entre las dos células es que las reacciones implicadas se desarrollan a la inversa.
Los electrodos están recubiertos con catalizadores o materiales que aceleran las reacciones involucradas. Pero un catalizador crítico hecho de materiales de óxido metálico se ha visto limitado por desafíos como la baja durabilidad. "Las partículas de catalizador metálico se vuelven más gruesas a altas temperaturas y, como resultado, se pierde superficie y actividad", dice Yildiz, quien también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales y es autor de un artículo sobre el trabajo publicado en la revista Energía y Ciencias Ambientales .
Ingrese la exsolución de metales, que implica precipitar nanopartículas metálicas de un óxido huésped sobre la superficie del electrodo. Las partículas se incrustan en el electrodo, "y ese anclaje las hace más estables", dice Yildiz. Como resultado, la exsolución ha "conducido a un progreso notable en la conversión de energía limpia y en dispositivos informáticos energéticamente eficientes", escriben los investigadores en su artículo.
Sin embargo, ha sido difícil controlar las propiedades precisas de las nanopartículas resultantes. "Sabemos que la exsolución puede proporcionarnos nanopartículas estables y activas, pero el desafío realmente es controlarla. La novedad de este trabajo es que hemos encontrado una herramienta, la irradiación de iones, que puede brindarnos ese control", dice Jiayue Wang, primer autor del artículo. Wang, quien realizó el trabajo mientras obtenía su doctorado en el MIT. en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear, ahora es investigador postdoctoral en Stanford.
Sossina Haile es profesora Walter P. Murphy de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad Northwestern. Dice Haile, que no participó en el trabajo actual, "las nanopartículas metálicas sirven como catalizadores en una gran cantidad de reacciones, incluida la importante reacción de dividir el agua para generar hidrógeno para el almacenamiento de energía. En este trabajo, Yildiz y sus colegas han creado un ingenioso método para controlar la forma en que se forman las nanopartículas."
Haile continúa:"La comunidad ha demostrado que la exsolución produce nanopartículas estructuralmente estables, pero el proceso no es fácil de controlar, por lo que no necesariamente se obtiene el número y tamaño óptimos de partículas. Usando irradiación de iones, este grupo pudo precisamente Controla las características de las nanopartículas, lo que resulta en una excelente actividad catalítica para la división del agua."
Los investigadores descubrieron que apuntar un haz de iones al electrodo y al mismo tiempo disolver nanopartículas metálicas en la superficie del electrodo les permitió controlar varias propiedades de las nanopartículas resultantes.
"A través de interacciones ion-materia, hemos diseñado con éxito el tamaño, la composición, la densidad y la ubicación de las nanopartículas exsolvedas", escribe el equipo en Energy &Environmental Science. .
Por ejemplo, podrían hacer que las partículas sean mucho más pequeñas (hasta dos milmillonésimas de metro de diámetro) que las producidas utilizando únicamente métodos convencionales de exsolución térmica. Además, pudieron cambiar la composición de las nanopartículas irradiándolas con elementos específicos. Lo demostraron con un haz de iones de níquel que implantaban níquel en la nanopartícula metálica exsolveda. Como resultado, demostraron una forma directa y conveniente de diseñar la composición de nanopartículas exsueltas.
"Queremos tener nanopartículas o aleaciones de elementos múltiples, porque normalmente tienen una mayor actividad catalítica", dice Yildiz. "Con nuestro enfoque, el objetivo de exsolución no tiene por qué depender del óxido del sustrato en sí". La irradiación abre la puerta a muchas más composiciones. "Podemos elegir prácticamente cualquier óxido y cualquier ion con el que podamos irradiar y disolverlo", dice Yildiz.
El equipo también descubrió que la irradiación de iones forma defectos en el propio electrodo. Y estos defectos proporcionan sitios de nucleación adicionales, o lugares desde los cuales pueden crecer las nanopartículas disueltas, aumentando la densidad de las nanopartículas resultantes.
La irradiación también podría permitir un control espacial extremo sobre las nanopartículas. "Como puedes enfocar el haz de iones, puedes imaginar que podrías 'escribir' con él para formar nanoestructuras específicas", dice Wang. "Hicimos una demostración preliminar [de esto], pero creemos que tiene potencial para realizar micro y nanoestructuras bien controladas".
El equipo también demostró que las nanopartículas que crearon con irradiación iónica tenían una actividad catalítica superior a las creadas únicamente mediante exsolución térmica convencional.
Más información: Jiayue Wang et al, Irradiación de iones para controlar el tamaño, la composición y la dispersión de la exsolución de nanopartículas metálicas, Energía y ciencias ambientales (2023). DOI:10.1039/D3EE02448B
Información de la revista: Energía y ciencias ambientales
Proporcionado por el Laboratorio de Investigación de Materiales, Instituto de Tecnología de Massachusetts
