Инженеры из MIT (Массачуссетского Технологического Института) получили первые изображенея отдельных атомов на поверхности и вблизи поверхности наночастиц, положенных в основу экологически благоприятных топливных элементов. Работа может привести к созданию более эффективных катализаторов для накопителей энергии.

Известно, что наночастицы из платины и кобальта являются катализаторами некоторых химических реакций, происходящих в топливных элементах, увеличивая скорость этих реакций в несколько раз выше, чем чистая платина, используемая как катализатор такой реакции. Но, пожалуй никто не понимает почему. Это происходит по той простой причине, что очень мало известно об атомной структуре и химии поверхностей наночастиц, которые и являются ключевыми к их активности.

Группа исследователей MIT, возглавляемая Янг Шао-Хорн (Yang Shao-Horn), адъюнкт-профессором депертаментов Инженерной Механики и Материаловедения и Инженерии (он же директор Лабоатории Электрохимической Энергии) при содействии профессора Пауло Феррейра (Paulo Ferreira) из Университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin) и д-ра Ларри Олларда (Dr. Larry Allard) из Национальной Лаборатории Оук Ридж (Oak Ridge National Laboratory) используя новую технику, известную как сканирующая электронная микроскопия с аберрационной коррекцией, сумела идентифицировать специфические структуры атомов вблизи поверхности частиц катализатора. Анализируя полученные данные, исследователи попытались создать теорию активности материала, которая может быть полезной при дальнейших исследованиях.

Результаты работы («Enhanced Activity for Oxygen Reduction Reaction on “Pt3Co” Nanoparticles: Direct Evidence of Percolated and Sandwich-Segregation Structures») были опубликованы 24 сентября в интернет-выпуске журнала Journal of the American Chemical Society.

Исследователи проанализировали два варианта частиц кобальта и платины – обработанных кислотой и обработанных кислотой в высокотемпературной среде. В обоих случаях наночастицы обладали более высокой активностью, чем отдельно взятые частицы только платины. Было также определено, что в каждом случае имеется некоторое различие в структуре поверхности. Например, в случае наночастиц, подвергнутых тепловой обработке, платина и кобальт формируют «сэндвичеподобные» структуры. При этом, атомы платины по преимуществу формируют большую часть поверхностного слоя, в то время, как атомы кобальта располагаются в основном в следующем, подповерхностном, слое. Последующие слои содержат смесь атомов платины и кобальта.

Изображение слева демонстрирует две наночастицы платина-кобальт, используемые для катализации (см. отштрихованные зоны), которые представляют собой «сэндвичеобразные» структуры атомов платины и кобальта, расположенные вблизи поверхности. Справа- модель поперечного среза, соответствующего нижней частице. На рисунке показан внешний слой, обогащенный атомами платины и второй слой, обогащенный атомами кобальта.

Экспериментально определено, что такие наночастицы являются в 4 раза более активными катализаторами, чем частицы платины. Теоретическое предположение о повышенной активности нано-катализатора из двух частиц заключается в том, что атомы платины на поверхности связаны нижележащими атомами кобальта. Это изменяет межатомные расстояния между атомами платины на поверхности наночастицы, делая их более активными в химических реакциях, ключевых для ячеек топливных элементов. Работа, по мнению авторов, способствует пониманию различий в электрокатализе между массивными и нано-материалами.

Работа была профинансирована Министерством Энергетики и Национальным Научным Фондом США.