Ricercatori e colleghi del MIT hanno dimostrato un modo per controllare con precisione la dimensione, la composizione e altre proprietà delle nanoparticelle fondamentali per le reazioni coinvolte in una varietà di tecnologie ambientali e energetiche pulite. Lo hanno fatto sfruttando l'irradiazione ionica, una tecnica in cui fasci di particelle cariche bombardano un materiale.
Hanno poi dimostrato che le nanoparticelle create in questo modo hanno prestazioni superiori rispetto alle loro controparti prodotte convenzionalmente.
"I materiali su cui abbiamo lavorato potrebbero far avanzare diverse tecnologie, dalle celle a combustibile alla generazione di CO2 -elettricità gratuita alla produzione di materie prime di idrogeno pulito per l'industria chimica [attraverso celle di elettrolisi]," afferma Bilge Yildiz, leader del lavoro e professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria Nucleare e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT.
Sia le celle a combustibile che quelle ad elettrolisi coinvolgono reazioni elettrochimiche attraverso tre parti principali:due elettrodi (un catodo e un anodo) separati da un elettrolita. La differenza tra le due celle è che le reazioni coinvolte si svolgono al contrario.
Gli elettrodi sono rivestiti con catalizzatori, ovvero materiali che velocizzano le reazioni coinvolte. Ma un catalizzatore fondamentale costituito da materiali di ossido di metallo è stato limitato da sfide tra cui la bassa durabilità. "Le particelle del catalizzatore metallico si ingrossano alle alte temperature e di conseguenza si perde area superficiale e attività", afferma Yildiz, che è anche affiliato al Materials Research Laboratory ed è autore di un articolo sul lavoro pubblicato sulla rivista Scienze energetiche e ambientali .
Entra nell'essoluzione del metallo, che prevede la precipitazione di nanoparticelle metalliche da un ossido ospite sulla superficie dell'elettrodo. Le particelle si incastrano nell'elettrodo "e questo ancoraggio le rende più stabili", afferma Yildiz. Di conseguenza, l'exsolution ha "portato a notevoli progressi nella conversione dell'energia pulita e nei dispositivi informatici efficienti dal punto di vista energetico", scrivono i ricercatori nel loro articolo.
Tuttavia, controllare le proprietà precise delle nanoparticelle risultanti è stato difficile. "Sappiamo che l'essoluzione può darci nanoparticelle stabili e attive, ma la parte più difficile è controllarla. La novità di questo lavoro è che abbiamo trovato uno strumento, l'irradiazione ionica, che può darci quel controllo", afferma Jiayue. Wang, primo autore dell'articolo. Wang, che ha condotto il lavoro mentre conseguiva il dottorato di ricerca al MIT. presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Nucleari, ora è uno studioso post-dottorato a Stanford.
Sossina Haile è Walter P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la Northwestern University. Haile, che non è stato coinvolto nel lavoro in corso, afferma:"Le nanoparticelle metalliche fungono da catalizzatori in tutta una serie di reazioni, inclusa l'importante reazione di scissione dell'acqua per generare idrogeno per l'immagazzinamento di energia. In questo lavoro, Yildiz e colleghi hanno creato un ingegnoso metodo per controllare il modo in cui si formano le nanoparticelle."
Haile continua:"la comunità ha dimostrato che l'essoluzione dà come risultato nanoparticelle strutturalmente stabili, ma il processo non è facile da controllare, quindi non si ottiene necessariamente il numero e la dimensione ottimali delle particelle. Usando l'irradiazione ionica, questo gruppo è stato in grado di controllare le caratteristiche delle nanoparticelle, con conseguente eccellente attività catalitica per la scissione dell'acqua."
I ricercatori hanno scoperto che puntare un fascio di ioni verso l'elettrodo espellendo contemporaneamente nanoparticelle metalliche sulla superficie dell'elettrodo ha permesso loro di controllare diverse proprietà delle nanoparticelle risultanti.
"Attraverso le interazioni ioni-materia, siamo riusciti a progettare con successo la dimensione, la composizione, la densità e la posizione delle nanoparticelle espulse", scrive il team in Energy &Environmental Science .
Ad esempio, potrebbero rendere le particelle molto più piccole – fino a due miliardesimi di metro di diametro – rispetto a quelle prodotte utilizzando solo i metodi convenzionali di scioglimento termico. Inoltre, sono riusciti a modificare la composizione delle nanoparticelle irradiandole con elementi specifici. Lo hanno dimostrato con un fascio di ioni di nichel che hanno impiantato il nichel nella nanoparticella metallica essolta. Di conseguenza, hanno dimostrato un modo diretto e conveniente per ingegnerizzare la composizione delle nanoparticelle essolte.
"Vogliamo avere nanoparticelle multi-elemento, o leghe, perché di solito hanno un'attività catalitica più elevata", afferma Yildiz. "Con il nostro approccio l'obiettivo di essoluzione non deve dipendere dall'ossido del substrato stesso." L'irradiazione apre le porte a molte altre composizioni. "Possiamo praticamente scegliere qualsiasi ossido e qualsiasi ione con cui possiamo irradiare ed eliminarlo", afferma Yildiz.
Il team ha inoltre scoperto che l'irradiazione ionica forma difetti nell'elettrodo stesso. E questi difetti forniscono ulteriori siti di nucleazione, o luoghi da cui le nanoparticelle espulse possono crescere, aumentando la densità delle nanoparticelle risultanti.
L’irradiazione potrebbe anche consentire un controllo spaziale estremo sulle nanoparticelle. "Poiché puoi focalizzare il raggio ionico, puoi immaginare di poter 'scrivere' con esso per formare nanostrutture specifiche", afferma Wang. "Ne abbiamo fatto una dimostrazione preliminare, ma crediamo che abbia il potenziale per realizzare micro e nanostrutture ben controllate."
Il team ha inoltre dimostrato che le nanoparticelle create con l'irradiazione ionica avevano un'attività catalitica superiore rispetto a quelle create mediante la sola solubilizzazione termica convenzionale.
Ulteriori informazioni: Jiayue Wang et al, Irradiazione ionica per controllare le dimensioni, la composizione e la dispersione dell'essoluzione di nanoparticelle metalliche, Scienze energetiche e ambientali (2023). DOI:10.1039/D3EE02448B
Informazioni sul giornale: Scienze energetiche e ambientali
Fornito da Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology
