Ein nanoskaliger Nickel-Platin-Kern mit einer Platinhülle spaltet Sauerstoffmoleküle in nützliche Ionen

27. Juli 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Platin (Pt) kann als Katalysator zur Herstellung reaktiver Sauerstoffionen für viele Anwendungen dienen. In dieser Forschung verwendeten Wissenschaftler eine Methode namens elektrochemischer Kreislauf, um die Oberfläche von Nickel (Ni)/Pt-Nanopartikeln zu modifizieren. Anschließend untersuchten die Wissenschaftler die Partikel mithilfe einer speziellen Röntgenstreuungs-Bildgebungstechnik, die sich hervorragend zur Untersuchung dreidimensionaler Partikel in Flüssigkeiten eignet. Dies zeigte, dass die modifizierte Legierung eine Pt-reiche Schicht aufwies. Die Struktur dieser Schicht ließ Pt an der Oberfläche der Nanopartikel zurück, und zwar stärker konzentriert, als es in einer Ni-Pt-Massenlegierung normal wäre. Die Technik enthüllt die Zusammensetzung, Form und Spannung von Partikeln im Nanometerbereich, die in Elektroden und Membranen verwendet werden. Die Forschung wurde veröffentlicht in Nano-Buchstaben (“Electrochemically Induced Strain Evolution in Pt–Ni Alloy Nanoparticles Observed by Bragg Coherent Diffraction Imaging”). BCDI-Methode unter Verwendung kohärenter Synchrotron-Röntgenstrahlen (linkes Schema), um interne 3D-Spannungs- und Zusammensetzungsverteilungen in situ in verschiedenen Stadien der elektrochemisch gesteuerten Nickeloberflächenauflösung abzubilden (rechtes Schema). (Bild: T. Kawaguchi, Argonne National Laboratory) Der Sauerstoffreduktionsprozess ist in vielen Anwendungen unerlässlich. Dazu gehören die Elektroden von Brennstoffzellen, die Brennstoffe elektrochemisch direkt in Strom umwandeln. Hierzu zählen auch Metall-Luft-Batterien, die durch Oxidation von Metallen Strom erzeugen. Pt kann diese Reduktionsreaktionen antreiben. Der Ersatz von Pt-Komponenten durch Legierungen und die Verbesserung der Aktivität durch Oberflächenbehandlungen werden solche Prozesse kostengünstiger und effizienter machen. Die Röntgentechnik zeigt, wie sich das Material unter Betriebsbedingungen verändert. Forscher können diese Technik in reaktiven Umgebungen nutzen, um den Oberflächenzustand wesentlicher Materialien zu bewerten. Dies wird ihnen dabei helfen, Materialien für Energie- und chemische Umwandlungsgeräte zu untersuchen und zu verbessern. Forscher am Argonne National Laboratory, an der Safarik-Universität in der Slowakei und an der Tohoku-Universität in Japan nutzten die kohärente Bragg-Beugungsbildgebung (BCDI), um die Spannung auf atomarer Ebene auf den Oberflächen von Pt-Ni-Nanopartikeln zu überwachen, während diese elektrochemisch behandelt wurden. Mit dieser Methode können Forscher Form, Zusammensetzung und Atomabstände in den tatsächlichen Umgebungen bestimmen, in denen ein Material verarbeitet oder eingesetzt wird. Sie überwachten die elastische Spannung während aufeinanderfolgender voltametrischer Zyklen in einem flüssigen Elektrolyten als Funktion der Ni-Auflösung, abgeleitet aus dreidimensionalen Bildern von BCDI und aus Messungen der durchschnittlichen Gitterkonstanten. Die Ergebnisse zeigen, dass höhere Werte der anfänglichen Ni-Zusammensetzung zu einer stärkeren Auflösung und einer höheren Druckspannung an der Oberfläche führten. Die Verarbeitung führte zu einer Kern-Schale-Struktur mit einer Pt-reichen Schale, die einen Ni-reichen Kern umgibt. Diese Ergebnisse helfen zu erklären, warum Sauerstoffmoleküle auf Pt-Ni-Nanopartikeln leichter in reaktive Ionen umgewandelt werden können als auf reinen Pt-Nanopartikeln. Die mit der Entlegierung einhergehende Spannung kann die Form und elektronische Struktur von Absorptionsstellen verändern, die für die Sauerstoffladungsübertragung wichtig sind.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63406.php