Yhtenäiset monimetalliset nanopartikkelit

Viiden metallin sekoittaminen yhdeksi nanopartikkeliksi tuottaa yllättävän yhtenäisiä rakenteita ja nelinkertaisen katalyyttisen aktiivisuuden vedyn tuotannossa.

KAISTin ja Stanfordin yliopiston yhteinen tutkimusryhmä paljasti tutkimustuloksia, jotka kumoavat nanomateriaalien alalla pitkään vallinneet uskomukset

Toisin kuin yleinen käsitys, jonka mukaan useampien metallien sekoittaminen monimutkaistaa järjestelmää, tämä tutkimus paljasti ensimmäistä kertaa, että monimutkaiset koostumukset itse asiassa luovat tasaisempia nanopartikkeleita, mikä merkitsee uutta käännekohtaa seuraavan sukupolven energia- ja katalyysiteknologialle.

KAIST ilmoitti, että kemian ja biomolekyylitekniikan laitoksen professori Hee-Tae Jungin ja Stanfordin yliopiston professori Matteo Cargnellon johtama yhteinen tutkimusryhmä on havainnut "paradoksaalisen ilmiön", jossa useampien metallien sekoittaminen johtaa tasaisempien nanopartikkelien muodostumiseen.

Nanohiukkaset ovat ydinmateriaaleja useilla teollisuudenaloilla, kuten puolijohteissa, ympäristöystävällisessä energiassa ja bioteknologiassa. Viime aikoina niistä on kehitetty monen metallin rakenteita suorituskyvyn parantamiseksi. Kuitenkin, kun ainesosien määrä kasvaa, kunkin alkuaineen erilaiset reaktionopeudet aiheuttavat vaihteluita hiukkaskoossa ja -muodossa, mitä on pidetty merkittävänä haasteena tarkkuuden säädössä.

Tutkimusryhmä keskittyi "koostumukseen keskittymiseen", ilmiöön, jossa hiukkaskomponentit konvergoituvat yhteen suuntaan ja muuttuvat tasaisemmiksi metallien määrän kasvaessa.

Tutkimus vahvisti, että eri metalliatomien kilpailevan sitoutumisen prosessissa ensin asettuvat atomit toimivat "askelkivenä" auttaen seuraavia atomeja kiinnittymään helpommin. Tämän seurauksena atomit eivät sekoitu satunnaisesti, vaan ne pinoutuvat järjestelmällisesti kerroksiksi muodostaen vakaan rakenteen. Tämä ilmiö on merkittävä löytö, joka osoittaa, että monimutkainen kemiallinen reaktioympäristö – jota aiemmin pidettiin esteenä – itse asiassa auttaa atomeja saavuttamaan järjestäytyneen rakenteen.

Tämän periaatteen varmistamiseksi tiimi valmisti monimetallisen nanopartikkelikatalyytin, joka sisälsi viittä eri metallia. Ammoniakin hajottamisen reaktiossa vedyn tuottamiseksi – mikä vaatii korkeita lämpötiloja ja tehokkaita katalyyttejä – uusi materiaali osoitti neljä kertaa suurempaa tehokkuutta kuin nykyinen teollinen standardi, ruteniumkatalyytti.

Ansioitunut professori Hee-Tae Jung totesi: ”Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että se löysi odottamattoman ’paradoksaalisen ilmiön’ ja tunnisti sen toimintaperiaatteen. Tämän periaatteen avulla voimme suunnitella halutun suorituskyvyn mukaisia metallikoostumuksia, joita odotetaan käytettävän korkean suorituskyvyn katalyyttien ja ympäristöystävällisten energiamateriaalien kehittämisessä prosesseihin, kuten vedyn tuotantoon ja hiilidioksidin muuntamiseen.”

Aiheesta aiemmin:

Katalyyttien tehostusta spineillä ja yksittäisillä atomeilla