В топливных элементах используются дорогостоящие платиновые катализаторы, позволяющие проводить реакции, преобразующие химическую энергию в электричество. Легирование платины благородными металлами, такими как кобальт, снижает общую стоимость, но такие легированные катализаторы различаются по характеристикам в зависимости от их атомной структуры и истории обработки.Команда ORNL использовала сканирующую просвечивающую электронную микроскопию для отслеживания атомных реконфигураций в отдельных катализаторах из наночастиц платины и кобальта при нагревании частиц внутри микроскопа. Измерения на месте — полученные в реальном времени в вакууме колонны микроскопа — позволили исследователям собрать данные на атомном уровне, которые нельзя было получить с помощью обычных методов микроскопии.
Результаты опубликованы в Nature Communications.«Это первый раз, когда отдельные наночастицы отслеживаются таким образом — чтобы отобразить структурные и композиционные изменения на атомном уровне от начала процесса отжига до конца», — сказал соавтор ORNL Каррен Мор.Очень небольшие изменения положения атомов платины и кобальта влияют на общую активность и селективность катализатора, поэтому отжиг — процесс постепенного нагрева, выдержки и охлаждения — часто используется для изменения структуры поверхности сплава.
Эксперименты по микроскопии ORNL in situ точно задокументировали, что, когда и как конкретные атомные конфигурации возникают и развиваются в процессе отжига.«Вы можете отжигать что-либо от комнатной температуры до 800 градусов по Цельсию, но вы не знаете, в какой момент вам следует остановить процесс, чтобы обеспечить наилучшие каталитические характеристики», — сказал ведущий автор Мяофан Чи. «Поскольку вы не знаете, как эволюционирует частица, возможно, вам не хватает оптимальной конфигурации поверхности».
Детали атомарного уровня в исследовании ORNL помогут исследователям и производителям, которые хотят настроить атомную структуру своих катализаторов в соответствии с требованиями конкретного приложения.«Эта работа прокладывает путь к разработке катализаторов путем отжига после синтеза для оптимизации производительности», — сказал Чи.Исследование опубликовано как «Поверхностная огранка и поведение элементарной диффузии в атомном масштабе для наночастиц сплава во время отжига in situ». Соавторы: Миаофанг Чи из ORNL, Каррен Мор, Эндрю Лупини и Лоуренс Аллард; Чао Ван из Университета Джона Хопкинса; Инкай Лей и Гофэн Ван из Питтсбургского университета; и Донгго Ли из Аргоннской национальной лаборатории, Ненад Маркович и Воислав Стаменкович.
Исследование спонсировалось Управлением технологий топливных элементов в Управлении энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США, а микроскопия была проведена в Центре исследований нанофазных материалов ORNL, который входит в состав Управления науки Министерства энергетики США.