La scarsità di platino ostacola l'uso diffuso di celle a combustibile, che forniscono energia in modo efficiente e senza sostanze inquinanti. Sostituendo parte o tutto questo metallo raro e costoso con metalli comuni in un reattivo, forma di nanoparticelle altamente sintonizzabile può espandere l'uso delle celle a combustibile. Al Pacific Northwest National Laboratory, gli scienziati hanno realizzato tali nanoparticelle metalliche con una nuova tecnica basata sul gas e un atterraggio morbido di ioni. Come ulteriore vantaggio, le particelle sono nude, senza uno strato di copertura che ricopre le loro superfici e ne riduce la reattività.

La sostituzione dei motori a combustione inefficienti e inquinanti con celle a combustibile non è attualmente fattibile perché le celle richiedono catalizzatori a base di platino. Lo studio del PNNL mostra come creare particelle con una reattività simile al platino che sostituiscano parte del platino con metalli abbondanti sulla Terra. Le implicazioni di questa nuova tecnica di preparazione vanno ben oltre le celle a combustibile. Può essere utilizzato per creare nanomateriali in lega per celle solari, catalizzatori eterogenei per una varietà di reazioni chimiche, e dispositivi di accumulo di energia.

"Il nuovo metodo offre agli scienziati un controllo preciso sulla composizione e sulla morfologia delle nanoparticelle di lega sulle superfici, " ha detto il dottor Grant Johnson, un chimico fisico del PNNL che ha guidato lo studio.

Il team ha creato le nanoparticelle utilizzando lo sputtering di magnetron e l'aggregazione di gas. Li hanno posizionati su una superficie utilizzando tecniche di atterraggio morbido ionico ideate al PNNL. Il risultato è uno strato di nanoparticelle nude costituito da due metalli diversi che è privo di strati di copertura, reagenti residui, e molecole di solvente che sono inevitabili con le particelle sintetizzate in soluzione.

Il processo inizia quando gli scienziati caricano dischi metallici da 1 pollice di diametro in uno strumento che combina la formazione di particelle e la deposizione di ioni. Una volta che i metalli sono bloccati in una camera a vuoto nella regione di aggregazione, viene introdotto il gas argon. In presenza di un grande voltaggio l'argon si ionizza e vaporizza i metalli tramite sputtering. Gli ioni metallici viaggiano attraverso una regione raffreddata dove entrano in collisione tra loro e si uniscono. Il risultato sono nanoparticelle metalliche ioniche nude con un diametro compreso tra 4 e 10 nanometri. Lo spettrometro di massa filtra le particelle ioniche, rimuovendo quelli che non soddisfano la dimensione desiderata. Le particelle filtrate vengono quindi fatte atterrare morbidamente su una superficie a scelta, come il carbonio vetroso, un materiale per elettrodi comunemente usato.

La creazione delle particelle di lega in fase gassosa offre numerosi vantaggi. L'approccio convenzionale basato sulla soluzione spesso si traduce in grumi dei diversi metalli, piuttosto che nanoparticelle omogenee con la forma desiderata. Ulteriore, le particelle mancano di uno strato di copertura. Ciò elimina la necessità di rimuovere questi strati e pulire le particelle, che li rende più efficienti da usare.

"Un vantaggio importante è che ci consente di aggirare alcune limitazioni termodinamiche che si verificano quando le particelle vengono create in soluzione, " ha detto Johnson. "Questo ci permette di creare leghe con costituenti elementari coerenti e conformazione. Per di più, l'approccio in fase gassosa cineticamente limitato consente anche la deposizione di specie intermedie che reagirebbero via in soluzione."

La copertura della superficie risultante è controllata da quanto tempo le particelle sono puntate sulla superficie e dall'intensità del fascio ionico. In tempi relativamente brevi su superfici piane, le nanoparticelle si legano in modo casuale. Lascia che il processo funzioni più a lungo e si forma una pellicola continua. Le superfici a gradini fanno sì che le nanoparticelle formino catene lineari sui bordi dei gradini a bassa copertura. Con tempi più lunghi e una superficie con difetti, le particelle si ammassano sulle imperfezioni, fornendo un modo per personalizzare le superfici con aree ricche di particelle e spazi aperti adiacenti. Gli esperimenti di caratterizzazione sono stati condotti utilizzando il microscopio a forza atomica, microscopi elettronici a scansione e trasmissione, così come altri strumenti nell'EMSL del DOE, una struttura scientifica nazionale per gli utenti.

Sebbene questo lavoro si concentri su singole nanoparticelle, il risultato finale è un array esteso con implicazioni che si estendono dalla scala atomica alla mesoscala. "La ricerca su mesoscala riguarda il modo in cui le cose funzionano insieme in array estesi, " ha detto Johnson, "e, questo è esattamente ciò che abbiamo costruito con successo qui."

I ricercatori stanno ora esplorando diverse combinazioni di metalli con vari rapporti di platino per ottenere le caratteristiche desiderate per i catalizzatori delle celle a combustibile. Hanno in programma di studiare ulteriormente queste particelle nel nuovo microscopio elettronico a trasmissione in situ, prevista per l'apertura in EMSL nel 2015, per capire come si evolvono le particelle in ambienti reattivi.