Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойТехнологииРеволюционный подход Массачусетского технологического института: ионное облучение в разработке наночастиц для устойчивой...

Революционный подход Массачусетского технологического института: ионное облучение в разработке наночастиц для устойчивой энергетики

- Advertisement -

Художественное представление наночастиц разного состава, созданных путем сочетания двух техник: растворения металла и ионного облучения. Разные цвета представляют разные элементы, такие как никель, которые можно имплантировать в выделенную металлическую частицу, чтобы адаптировать ее состав и реакционную способность. Кредит: Цзяюэ Ван

Работа демонстрирует контроль над ключевыми свойствами, ведущий к повышению производительности.

Массачусетский технологический институт Исследователи и коллеги продемонстрировали способ точного контроля размера, состава и других свойств наночастиц, ключевых для реакций, участвующих в различных экологически чистых энергетических и экологических технологиях. Они сделали это, используя ионное облучение — метод, при котором лучи заряженных частиц бомбардируют материал.

Далее они показали, что наночастицы, созданные таким образом, имеют превосходные характеристики по сравнению с их аналогами, изготовленными традиционным способом.

«Материалы, над которыми мы работали, могут способствовать развитию нескольких технологий, от топливных элементов до генерации CO.2-бесплатная электроэнергия для производства чистого водородного сырья для химической промышленности [through electrolysis cells]», — говорит Бильге Йилдиз, руководитель работы и профессор факультетов ядерной науки и техники и материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института.

Критический катализатор

И топливные, и электролизные ячейки включают электрохимические реакции через три основные части: два электрода (катод и анод), разделенные электролитом. Разница между этими двумя клетками заключается в том, что участвующие в них реакции протекают в обратном порядке.

Электроды покрыты катализаторами или материалами, которые ускоряют реакции. Но критически важный катализатор, изготовленный из металлооксидных материалов, был ограничен из-за проблем, в том числе из-за низкой долговечности. «Частицы металлического катализатора укрупняются при высоких температурах, и в результате вы теряете площадь поверхности и активность», — говорит Йылдыз, который также связан с Лабораторией исследования материалов и является автором статьи в открытом доступе о работе, опубликованной в журнал Энергетика и экология.

Введите растворение металла, которое включает осаждение наночастиц металла из основного оксида на поверхность электрода. Частицы внедряются в электрод, «и это закрепление делает их более стабильными», — говорит Йылдыз. В результате изгнание «привело к замечательному прогрессу в преобразовании чистой энергии и энергоэффективных вычислительных устройствах», пишут исследователи в своей статье.

Проблемы контроля наночастиц

Однако контролировать точные свойства полученных наночастиц было сложно. «Мы знаем, что распад может дать нам стабильные и активные наночастицы, но на самом деле сложная задача — контролировать его. Новизна этой работы заключается в том, что мы нашли инструмент — ионное облучение — который может дать нам такой контроль», — говорит Цзяюэ Ван, доктор философии ’22, первый автор статьи. Ван, который руководил этой работой во время получения докторской степени на факультете ядерной науки и техники Массачусетского технологического института, сейчас является постдоком в Стэнфордском университете.

Сосина Хайле ’86, доктор философии ’92, профессор материаловедения и инженерии Уолтера П. Мерфи в Северо-Западный университеткоторый не принимал участия в текущей работе, говорит:

«Металлические наночастицы служат катализаторами во множестве реакций, включая важную реакцию расщепления воды с получением водорода для хранения энергии. В этой работе Йылдыз и его коллеги создали гениальный метод управления процессом формирования наночастиц».

Хейл продолжает: «Сообщество показало, что в результате распада образуются структурно стабильные наночастицы, но этот процесс нелегко контролировать, поэтому не обязательно получить оптимальное количество и размер частиц. Используя ионное облучение, эта группа смогла точно контролировать свойства наночастиц, что привело к превосходной каталитической активности при расщеплении воды».

Что они сделали

Исследователи обнаружили, что направление пучка ионов на электрод с одновременным выделением металлических наночастиц на поверхность электрода позволяет им контролировать некоторые свойства получаемых наночастиц.

«Благодаря взаимодействию иона и материи мы успешно спроектировали размер, состав, плотность и расположение выделенных наночастиц», — пишет команда в Энергетика и экология.

Например, они могли бы сделать частицы намного меньшими — до 2 миллиардных долей метра в диаметре — чем те, которые получены с использованием только традиционных методов термического распада. Кроме того, они смогли изменить состав наночастиц путем облучения определенными элементами. Они продемонстрировали это с помощью пучка ионов никеля, который имплантировал никель в выделенную наночастицу металла. В результате они продемонстрировали прямой и удобный способ создания состава растворенных наночастиц.

«Мы хотим иметь многоэлементные наночастицы или сплавы, потому что они обычно обладают более высокой каталитической активностью», — говорит Йылдыз. «Благодаря нашему подходу цель распада не обязательно должна зависеть от самого оксида субстрата». Облучение открывает двери для многих других композиций. «Мы можем практически выбрать любой оксид и любой ион, который мы можем облучить и выделить», — говорит Йылдыз.

Команда также обнаружила, что ионное облучение приводит к образованию дефектов в самом электроде. И эти дефекты создают дополнительные места зародышеобразования или места для роста выделенных наночастиц, увеличивая плотность образующихся наночастиц.

Облучение также может обеспечить экстремальный пространственный контроль над наночастицами. «Поскольку вы можете сфокусировать ионный луч, вы можете себе представить, что можете «писать» с его помощью, формируя определенные наноструктуры», — говорит Ван. «Мы провели предварительную демонстрацию [of that]но мы считаем, что у него есть потенциал для создания хорошо контролируемых микро- и наноструктур».

Команда также показала, что наночастицы, созданные ими с помощью ионного облучения, обладают превосходной каталитической активностью по сравнению с наночастицами, созданными только традиционным термическим растворением.

Ссылка: «Ионное облучение для контроля размера, состава и дисперсии распада наночастиц металлов», Цзяюэ Ван, Кевин Б. Воллер, Абинаш Кумар, Жан Чжан, Хуа Чжоу, Ирадвиканари Валуйо, Адриан Хант, Джеймс М. ЛеБоб и Бильге Йилдиз, 25 лет. сентябрь 2023 г., Энергетика и экология.
DOI: 10.1039/D3EE02448B

Другими авторами статьи из Массачусетского технологического института являются Кевин Б. Воллер, главный научный сотрудник Центра науки о плазме и термоядерном синтезе (PSFC), где находится оборудование, используемое для ионного облучения; Абинаш Кумар, доктор философии ’22, получивший докторскую степень на факультете материаловедения и инженерии (DMSE) и сейчас работающий в Окриджской национальной лаборатории; и Джеймс М. Лебо, доцент кафедры DMSE. Другими авторами являются Чжан Чжан и Хуа Чжоу из Аргоннской национальной лаборатории, а также Ирадвиканари Валуйо и Адриан Хант из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Эта работа финансировалась корпорацией OxEon и PSFC Массачусетского технологического института. В исследовании также использовались ресурсы, поддержанные Управлением науки Министерства энергетики США, Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института и MIT.nano. Работа частично выполнялась в Гарвардском университете через сеть, финансируемую Национальным научным фондом.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме