Immagine al microscopio elettronico raffigurante la combinazione nucleo-guscio di ossido di palladio e magnesio. I puntini bianchi sono nanoparticelle di palladio. La leggera foschia attorno a ciascuna nanoparticella è il guscio poroso di ossido di magnesio. Le nanoparticelle di palladio non sono sinterizzate insieme e mantengono spazi tra loro a causa di questi gusci. Ciò massimizza la loro capacità di reagire con le sostanze chimiche.
Non esistono pallottole magiche per il fabbisogno energetico globale. Ma le celle a combustibile in cui l'energia elettrica viene sfruttata direttamente dal vivo, reazioni chimiche autosufficienti promettono alternative più economiche ai combustibili fossili.
Per facilitare una più rapida conversione dell'energia in queste cellule, gli scienziati disperdono nanoparticelle fatte di metalli speciali chiamati metalli "nobili", per esempio oro, argento e platino lungo la superficie di un elettrodo. Questi metalli non sono chimicamente reattivi come altri metalli su macroscala, ma i loro atomi diventano più reattivi su nanoscala. Le nanoparticelle costituite da questi metalli fungono da catalizzatore, aumentando la velocità della reazione chimica necessaria che libera gli elettroni dal combustibile. Mentre le nanoparticelle vengono spruzzate sull'elettrodo, si schiacciano insieme come stucco, formando grappoli più grandi. Questa tendenza compattatrice, chiamato sinterizzazione, riduce la superficie complessiva disponibile alle molecole del carburante per interagire con le nanoparticelle catalitiche, impedendo così loro di realizzare il loro pieno potenziale in queste celle a combustibile.
Ricerca dell'Unità Nanoparticles by Design presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), in collaborazione con il Laboratorio Nazionale SLAC negli USA e il Centro Austriaco di Microscopia Elettronica e Nanoanalisi, ha sviluppato un modo per impedire la compattazione delle nanoparticelle di metalli nobili, incapsulandoli singolarmente all'interno di un guscio poroso costituito da un ossido metallico. I ricercatori dell'OIST hanno pubblicato i loro risultati su nanoscala. Il loro lavoro ha applicazioni immediate nel campo della nanocatalisi per la produzione di celle a combustibile più efficienti.
I ricercatori dell'OIST hanno progettato un nuovo sistema. Hanno incapsulato nanoparticelle di palladio in un guscio di ossido di magnesio. Quindi hanno disperso questa combinazione nucleo-guscio su un elettrodo e hanno misurato le capacità dell'elettrodo immerso nel migliorare la velocità della reazione elettrochimica che si verifica nelle celle a combustibile a metanolo. Hanno dimostrato che le nanoparticelle di palladio incapsulate offrono prestazioni significativamente superiori rispetto alle nanoparticelle di palladio nude.
Vidyadhar Singh è in piedi accanto all'avanzato sistema di deposizione di nanoparticelle dell'OIST.
I ricercatori dell'OIST si erano precedentemente resi conto che le nanoparticelle di ossido di magnesio potevano formare gusci porosi attorno alle nanoparticelle di metalli nobili mentre studiavano separatamente le nanoparticelle di magnesio e palladio. La porosità di questa armatura aggiuntiva assicura che non impedisca alle molecole del carburante di raggiungere il palladio incapsulato. Le immagini al microscopio elettronico hanno confermato che il guscio di ossido di magnesio funge semplicemente da distanziatore tra i nuclei di palladio mentre cercano di attaccarsi l'uno all'altro, lasciando che ciascuno realizzi il suo pieno potenziale reattivo.
L'avanzato sistema di deposizione di nanoparticelle presso l'OIST ha permesso ai ricercatori di mettere a punto i parametri sperimentali e variare lo spessore del guscio incapsulante, nonché il numero di nanoparticelle di palladio nel nucleo con relativa facilità. L'ottimizzazione delle dimensioni e delle strutture delle nanoparticelle altera le loro proprietà fisiche e chimiche per diverse applicazioni.
"Più combinazioni core-shell possono essere provate usando la nostra tecnica, con metalli più economici del Palladio per esempio, come nichel o ferro. I nostri risultati mostrano abbastanza promesse per continuare in questa nuova direzione, " disse Vidyadhar Singh, il primo autore dell'articolo, e borsista post-dottorato sotto la supervisione del Prof. Mukhles Sowwan, il direttore delle Nanoparticelle dell'OIST per Design Unit, che era anche un corrispondente autore dell'articolo.
