Эти наноклетки с четко определенными гранями и высокой каталитической активностью могут быть сконструированы для удовлетворения будущих потребностей. Полые наноклетки также используют меньше палладия, дефицитного благородного металла.
Повышение эффективности катализаторов может улучшить многие химические реакции, используемые в промышленности и исследовательских лабораториях. Для повышения эффективности исследователи создали наноклетки (открытые наноструктуры, состоящие из множества граней и, следовательно, катализаторы с регулируемой активностью и селективностью). Однако создание этих структур со специфическими кристаллографическими гранями было трудным. Чтобы улучшить катализаторы, исследователи из Технологического института Джорджии, Университета Висконсин-Мэдисон, Университета штата Аризона и Национальной лаборатории Ок-Ридж разработали собственный метод синтеза для создания полых наноклеток выбранной формы.
Клеткам можно придать форму с помощью шаблона для создания различных желаемых граней, тем самым решая основную проблему с предыдущими конструкциями. Для изготовления наноклеток платину наносят на палладиевый шаблон при высоких температурах. Атомы платины образуют относительно однородную оболочку вокруг палладиевого ядра, обычно толщиной около 6 атомных слоев. Во время осаждения платины происходит перемешивание палладия в платиновой оболочке, вызывая образование палладиевых каналов, соединяющих поверхность с внутренней частью наноклеток.
Метод травления палладия используется для удаления сердцевины структур, начиная с палладиевых каналов. Эти каналы расширяются и реструктурируются в процессе травления, что позволяет удалить большую часть палладиевой сердцевины. Сохранившаяся структура представляет собой платиновую оболочку с сохраненными гранями шаблона.
Были синтезированы как октаэдрические, так и кубические наноклетки, каждая из которых обладает большей каталитической активностью для реакции восстановления кислорода, основной реакции, происходящей на катоде топливного элемента, чем стандартный платино-углеродный катализатор. В частности, октаэдрические структуры имеют более чем в пять раз большую активность реакции восстановления кислорода, чем у платино-углеродного катализатора.
Наноклетки имеют каталитические поверхности как внутри, так и снаружи своей структуры, что, вероятно, является причиной повышенной активности. В дополнение к двум типам наноклеток, которые уже были синтезированы, наноклетки могут быть сконструированы так, чтобы иметь множество различных каталитических граней. Такая универсальность должна позволить платиновым наноклеткам избирательно катализировать широкий спектр химических реакций.
Синтезы были поддержаны стартовыми фондами Технологического института Джорджии (Y.Икс.).
Как совместно руководимые аспиранты Университета Сямэнь, Л.Z. и X.W. также были частично поддержаны стипендиями Китайского совета по стипендиям. Работа по теоретическому моделированию в Университете Висконсин-Мэдисон была поддержана U.S.
Министерство энергетики, Управление науки, Управление фундаментальных энергетических наук (BES), Отделение химических наук, наук о Земле и биологических наук, грант DE-FG02-05ER15731. Расчеты проводились в суперкомпьютерных центрах, расположенных в Лаборатории молекулярных наук об окружающей среде, спонсируемой Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории; Центр наноразмерных материалов при Аргоннской национальной лаборатории, поддерживается контрактом Министерства энергетики США DE-AC02-06CH11357; и Национальный вычислительный центр энергетических исследований при поддержке контракта Министерства энергетики США DE-AC02-05CH11231.
Часть работ по электронной микроскопии была выполнена в рамках пользовательского проекта, поддерживаемого Центром науки о нанофазных материалах Национальной лаборатории Окриджа, который является пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики США. J.L. с благодарностью отмечает поддержку со стороны Университета штата Аризона и использование помещений в John M. Центр электронной микроскопии высокого разрешения Коули в штате Аризона.