Les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory ont créé des particules d'alliage métallique à l'aide d'une technique qui implique la pulvérisation cathodique au magnétron et l'agrégation de gaz. Ils les ont placés sur une surface en utilisant des techniques d'atterrissage en douceur des ions. Crédit :Johnson et al. avec l'autorisation de la Royal Society of Chemistry.
La rareté du platine entrave l'utilisation généralisée des piles à combustible, qui fournissent de l'énergie efficacement et sans polluants. Remplacer tout ou partie de ce métal rare et cher par des métaux communs dans un réactif, la forme de nanoparticules hautement modulable peut étendre l'utilisation des piles à combustible. Au Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique, les scientifiques ont fabriqué de telles nanoparticules métalliques avec une nouvelle technique à base de gaz et un atterrissage en douceur des ions. Comme avantage supplémentaire, les particules sont nues, sans couche de coiffage qui enrobe leurs surfaces et réduit leur réactivité.
Le remplacement des moteurs à combustion inefficaces et polluants par des piles à combustible n'est actuellement pas possible car les piles nécessitent des catalyseurs à base de platine. L'étude du PNNL montre comment créer des particules ayant une réactivité similaire au platine qui remplacent une partie du platine par des métaux abondants sur Terre. Les implications de cette nouvelle technique de préparation vont bien au-delà des piles à combustible. Il peut être utilisé pour créer des nanomatériaux d'alliage pour les cellules solaires, catalyseurs hétérogènes pour une variété de réactions chimiques, et des dispositifs de stockage d'énergie.
"La nouvelle méthode donne aux scientifiques un contrôle fin sur la composition et la morphologie des nanoparticules d'alliage sur les surfaces, " a déclaré le Dr Grant Johnson, un physico-chimiste du PNNL qui a dirigé l'étude.
L'équipe a créé les nanoparticules en utilisant la pulvérisation cathodique magnétron et l'agrégation de gaz. Ils les ont placés sur une surface en utilisant des techniques d'atterrissage en douceur des ions conçues au PNNL. Le résultat est une couche de nanoparticules nues constituée de deux métaux différents qui est exempte de couches de coiffage, réactifs résiduels, et des molécules de solvants qui sont inévitables avec des particules synthétisées en solution.
Le processus commence lorsque les scientifiques chargent des disques métalliques de 1 pouce de diamètre dans un instrument qui combine la formation de particules et le dépôt d'ions. Une fois que les métaux sont enfermés dans une chambre à vide dans la région d'agrégation, du gaz argon est introduit. En présence d'une tension élevée, l'argon s'ionise et vaporise les métaux par pulvérisation cathodique. Les ions métalliques traversent une région refroidie où ils entrent en collision et se collent les uns aux autres. Le résultat est des nanoparticules métalliques ioniques nues d'environ 4 à 10 nanomètres de diamètre. Le spectromètre de masse filtre les particules ioniques, en supprimant ceux qui ne correspondent pas à la taille souhaitée. Les particules filtrées sont ensuite déposées en douceur sur une surface de choix, comme le carbone vitreux, un matériau d'électrode couramment utilisé.
La création des particules d'alliage en phase gazeuse offre de nombreux avantages. L'approche conventionnelle basée sur la solution aboutit souvent à des amas des différents métaux, plutôt que des nanoparticules homogènes avec la forme souhaitée. Plus loin, les particules n'ont pas de couche de recouvrement. Cela élimine le besoin d'enlever ces couches et de nettoyer les particules, ce qui les rend plus efficaces à utiliser.
"Un avantage important est qu'il nous permet de contourner certaines limitations thermodynamiques qui se produisent lorsque les particules sont créées en solution, " a déclaré Johnson. " Cela nous permet de créer des alliages avec des constituants élémentaires et une conformation cohérents. Par ailleurs, l'approche en phase gazeuse cinétiquement limitée permet également le dépôt d'espèces intermédiaires qui réagiraient en solution."
La couverture de la surface résultante est contrôlée par la durée pendant laquelle les particules sont dirigées vers la surface et l'intensité du faisceau d'ions. Dans des délais relativement courts sur des surfaces planes, les nanoparticules se lient de manière aléatoire. Laissez le processus se dérouler plus longtemps et un film continu se forme. Les surfaces en gradins font que les nanoparticules forment des chaînes linéaires sur les bords des gradins à faible couverture. Avec des temps plus longs et une surface avec des défauts, les particules s'agglutinent sur les imperfections, fournissant un moyen d'adapter les surfaces avec des zones riches en particules et des espaces ouverts adjacents. Les expériences de caractérisation ont été réalisées à l'aide du microscope à force atomique, microscopes électroniques à balayage et à transmission, ainsi que d'autres outils de l'EMSL du DOE, une installation scientifique nationale pour les utilisateurs.
Alors que ce travail se concentre sur des nanoparticules simples, le résultat final est un tableau étendu avec des implications qui s'étendent de l'échelle atomique à la mésoéchelle. "La recherche à mésoéchelle porte sur la façon dont les choses fonctionnent ensemble dans des réseaux étendus, " dit Johnson, "et, c'est exactement ce que nous avons réussi à construire ici."
Les chercheurs explorent maintenant différentes combinaisons de métaux avec divers rapports de platine pour obtenir les caractéristiques souhaitées pour les catalyseurs de piles à combustible. Ils prévoient d'étudier plus avant ces particules dans le nouveau microscope électronique à transmission in situ, ouverture prévue à l'EMSL en 2015, comprendre comment les particules évoluent dans des environnements réactifs.
