用X射线照射纳米粒子的生长
2018-12-27 13:09:50   来源:

氢燃料电池是用于生产清洁和可再生能源的有前途的技术,但其阴极材料的成本和活性是商业化的主要挑战。许多燃料电池需要昂贵的铂基催化剂 – 引发和加速化学反应的物质 – 以帮助将可再生燃料转化为电能。为了使氢燃料电池具有商业可行性,科学家们正在寻找更实惠的催化剂,以提供与纯铂相同的效率。

“像电池一样,氢燃料电池将储存的化学能转化为电能。不同之处在于你使用的是可补充的燃料,原则上,’电池’将永远存在,”国家同步加速器的科学家阿德里安亨特说。光源II(NSLS-II),美国能源部(DOE)DOE布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室。 “为氢燃料电池寻找廉价有效的催化剂基本上是使这项技术更可行的圣杯。”
参与全球范围内对燃料电池阴极材料的研究,阿克伦大学的研究人员开发了一种合成催化剂的新方法,该方法由金属 – 铂和镍组合而成,形成八面体(八面)形纳米颗粒。虽然科学家已经将这种催化剂确定为纯铂的最有效替代品之一,但他们还没有完全理解为什么它以八面体形状生长。为了更好地了解增长过程,阿克伦大学的研究人员与多个机构合作,包括Brookhaven及其NSLS-II。
“了解刻面催化剂是如何形成的,在确定其结构 – 性质相关性和设计更好的催化剂方面起着关键作用,”阿克伦大学催化实验室首席研究员彭振梦说。 “铂镍系统的增长过程非常复杂,因此我们与几个经验丰富的团队合作应对挑战。布鲁克海文国家实验室的尖端技术对研究这一研究课题有很大帮助。”
利用NSLS-II的超亮X射线和NSLS-II的原位和Operando软X射线光谱(IOS)光束线的先进功能,研究人员实时揭示了催化剂生长途径的化学特征。他们的研究结果发表在Nature Communications上。

“我们使用一种名为环境压力X射线光电子能谱(AP-XPS)的研究技术来研究生长反应期间纳米颗粒中金属的表面组成和化学状态,”IOS的首席科学家Iradwikanari Waluyo表示。研究论文的共同作者。 “在这种技术中,我们将X射线导向样品,导致电子释放。通过分析这些电子的能量,我们能够区分样品中的化学元素,以及它们的化学和氧化态。 “Hunt,也是纸上的作者,补充道,“它与阳光与我们的衣服相互作用的方式类似。阳光大致是黄色的,但一旦它撞到一个人的衬衫,你可以看出衬衫是蓝色,红色,或绿色。“
科学家们不是用颜色,而是在催化剂表面识别化学信息并将其与内部进行比较。他们发现,在生长反应过程中,金属铂首先形成并成为纳米粒子的核心。然后,当反应达到稍高的温度时,铂有助于形成金属镍,后来金属镍偏析到纳米颗粒的表面。在生长的最后阶段,表面变成两种金属的大致相等的混合物。铂和镍之间这种有趣的协同效应在纳米粒子的八面体形状及其反应性的发展中起着重要作用。
“这些发现的好处是镍是一种廉价的材料,而铂是昂贵的,”亨特说。 “因此,如果纳米粒子表面的镍催化反应,并且这些纳米粒子本身仍然比铂更活跃,那么希望通过更多的研究,我们可以计算出最少量的铂添加并仍然得到高活性,创造出更具成本效益的催化剂。“
研究结果取决于IOS的先进能力,研究人员能够在高于传统XPS实验通常可能的气体压力下进行实验。
“在IOS,我们能够在实际生长条件下实时跟踪纳米粒子的成分和化学状态的变化,”Waluyo说。