MIT创新离子辐照纳米粒子工程有望促进可持续能源发展

艺术家绘制的具有不同成分的纳米粒子，这些粒子是通过金属外溶解和离子辐照两种技术组合而成的。不同的颜色代表不同的元素（如镍），这些元素可以植入外溶解金属颗粒中，以调整颗粒的成分和反应活性。资料来源：王佳悦

这项工作的负责人、麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系教授比尔格-伊尔迪兹（Bilge Yildiz）说："我们研究的材料可以推动多项技术的发展，从燃料电池产生无二氧化碳电力，到[通过电解槽]为化学工业生产清洁的氢原料。"

燃料电池和电解池都是通过三个主要部分进行电化学反应：由电解质隔开的两个电极（阴极和阳极）。这两种电池的区别在于所涉及的反应是反向的。

电极上涂有催化剂，或者说涂有能加快反应速度的材料。但由金属氧化物材料制成的关键催化剂一直受限于耐久性低等难题。Yildiz说："金属催化剂颗粒在高温下会变粗，表面积和活性也会随之降低，"

Yildiz同时也隶属于材料研究实验室，是发表在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志上的开放存取论文的作者之一。

金属外溶解是指将金属纳米颗粒从主氧化物中沉淀到电极表面。Yildiz 说："颗粒会嵌入电极，这种锚定会使它们更加稳定。因此，外溶解"在清洁能源转换和高能效计算设备方面取得了显著进展""。

然而，控制由此产生的纳米粒子的精确特性一直是个难题。"我们知道外溶解可以产生稳定而活跃的纳米粒子，但真正具有挑战性的是如何控制它。这项工作的新颖之处在于，我们找到了一种工具--离子辐照--可以实现这种控制，"论文第一作者、22 岁的 Jiayue Wang 博士说。王佳悦在麻省理工学院核科学与工程系获得博士学位期间开展了这项工作，现在是斯坦福大学的一名博士后。

西北大学材料科学与工程系沃尔特-墨菲（Walter P. Murphy）教授 Sossina Haile（86 年出生，92 年获得博士学位）没有参与目前的研究工作，他介绍说："金属纳米粒子在一系列反应中充当催化剂，其中包括重要的分水反应，以产生用于储能的氢气。在这项工作中，Yildiz 及其同事创造了一种控制纳米粒子形成方式的巧妙方法。研究界已经证明，外溶解会产生结构稳定的纳米粒子，但这一过程并不容易控制，因此不一定能获得最佳数量和尺寸的粒子。利用离子辐照，该研究小组能够精确控制纳米颗粒的特征，从而获得极佳的水分离催化活性"。

研究人员发现，将一束离子瞄准电极，同时将金属纳米粒子溶解到电极表面，可以控制纳米粒子的若干特性。小组在《能源与环境科学》杂志上写道："通过离子与物质的相互作用，我们成功地设计了外溶纳米粒子的大小、成分、密度和位置。"

例如，他们可以使颗粒变得更小--直径小到 20 亿分之一米--比仅使用传统热溶解方法制造的颗粒小得多。此外，他们还能通过照射特定元素来改变纳米粒子的成分。他们用一束镍离子将镍植入外溶解的金属纳米粒子中从而证明了这一点。因此，他们展示了一种直接、方便的方法来设计外溶解纳米粒子的成分。

Yildiz说："我们希望获得多元素纳米粒子或合金，因为它们通常具有更高的催化活性。采用我们的方法，外溶解目标不必依赖于基底氧化物本身。辐照为更多成分打开了大门，现在几乎可以选择任何氧化物和任何离子进行辐照，然后进行外溶解。"

研究小组还发现，离子辐照会在电极本身形成缺陷。这些缺陷提供了更多的成核点，或者说为溶出的纳米粒子提供了生长的场所，从而提高了纳米粒子的密度。

辐照还可以实现对纳米粒子的极端空间控制。王说："因为可以聚焦离子束， 那就可以想象你可以用它'写'出特定的纳米结构。我们做了一个初步的演示，但我们相信它有潜力实现控制良好的微观和纳米结构"。"

研究小组还表明，他们用离子辐照法制造的纳米粒子比传统的热溶解法制造的纳米粒子具有更高的催化活性。

编译来源：ScitechDaily