麻省理工学院的游戏规则改变者：可持续能源纳米粒子工程中的离子辐照

　　艺术家表现的不同成分的纳米粒子结合了两种技术:金属析出和离子辐照。不同的颜色代表不同的元素，例如镍，这些元素可以被植入到一个溶解的金属颗粒中，以调整颗粒的组成和反应性。作者:王嘉悦

　　工作演示nstrates有限公司对关键属性的控制可以带来更好的性能。

　　麻省理工学院的研究人员和同事们已经展示了一种精确控制纳米颗粒大小、组成和其他特性的方法，这些纳米颗粒对各种清洁能源和环境技术的反应至关重要。他们利用离子辐照技术来实现这一目标，离子辐照是一种用带电粒子束轰击物质的技术。

　　他们继续证明，以这种方式制造的纳米颗粒比传统方法制造的纳米颗粒具有更优越的性能。

　　麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系的教授Bilge Yildiz说:“我们研究的材料可以推进几项技术，从燃料电池产生无二氧化碳的电力到为化学工业生产清洁的氢原料(通过电解电池)。”

　　关键催化剂

　　燃料电池和电解电池都通过三个主要部分进行电化学反应:由电解质分开的两个电极(阴极和阳极)。这两种细胞的不同之处在于所涉及的反应是相反的。

　　电极上涂有催化剂，或使反应进行得更快的材料。但一种由金属氧化物材料制成的关键催化剂受到耐久性低等挑战的限制。“金属催化剂颗粒在高温下会变粗，因此会失去表面积和活性，”Yildiz说，他也隶属于材料研究实验室，并且是发表在《能源与环境科学》杂志上的一篇开放获取论文的作者。

　　进入金属溶出，这涉及到将金属纳米颗粒从主氧化物中沉淀到电极表面。这些粒子将自己嵌入电极中，“这种锚定使它们更加稳定，”耶尔迪兹说。因此，研究人员在论文中写道，exsolution“在清洁能源转换和节能计算设备方面取得了显著进展”。

　　纳米颗粒控制的挑战

　　然而，控制所得到的纳米颗粒的精确性质一直很困难。“我们知道脱溶可以给我们提供稳定和活跃的纳米颗粒，但真正具有挑战性的部分是控制它。这项工作的新颖之处在于，我们发现了一种工具——离子辐照——可以给我们这种控制，”论文的第一作者、22岁的王嘉悦博士说。王在麻省理工学院核科学与工程系攻读博士学位时进行了这项工作，现在是斯坦福大学的博士后。

　　Sossina Haile, 86届92届博士，西北大学Walter P. Murphy材料科学与工程教授，他没有参与目前的工作，他说:

　　“金属纳米颗粒在许多反应中起到催化剂的作用，包括分解水以产生用于储能的氢的重要反应。在这项工作中，Yildiz和同事们创造了一种巧妙的方法来控制纳米颗粒的形成方式。”

　　Haile继续说，“这个群体已经证明，脱溶可以产生结构稳定的纳米颗粒，但这个过程不容易控制，所以不一定能得到最佳数量和大小的颗粒。通过离子辐照，该小组能够精确控制纳米颗粒的特征，从而产生优异的水裂解催化活性。”

　　他们做了什么

　　研究人员发现，将一束离子对准电极，同时将金属纳米颗粒溶解到电极表面，可以控制所得到的纳米颗粒的几个特性。

　　研究小组在《能源与环境科学》杂志上写道:“通过离子物质相互作用，我们成功地设计了溶解纳米颗粒的大小、组成、密度和位置。”

　　例如，他们可以使颗粒更小——直径小到20亿分之一米——比单独使用传统热溶方法制造的颗粒要小得多。此外，他们能够通过特定元素照射来改变纳米颗粒的组成。他们用一束镍离子将镍注入溶解的金属纳米颗粒来证明这一点。结果，他们展示了一种直接而方便的方法来设计溶解纳米颗粒的组成。

　　Yildiz说:“我们想要多元素纳米颗粒或合金，因为它们通常具有更高的催化活性。”“通过我们的方法，溶出目标不必依赖于衬底氧化物本身。”辐照为更多的成分打开了大门。Yildiz说:“我们几乎可以选择任何氧化物和任何离子，我们可以用它们照射并溶解它们。”

　　研究小组还发现，离子辐照会在电极本身形成缺陷。这些缺陷提供了额外的成核位置，或为溶解的纳米粒子生长的地方，增加了所得纳米粒子的密度。

　　辐照还可以对纳米颗粒进行极端的空间控制。“因为你可以聚焦离子束，你可以想象你可以用它来‘书写’形成特定的纳米结构，”王说。“我们做了一个初步的演示，但我们相信它有潜力实现良好控制的微观和纳米结构。”

　　研究小组还表明，他们用离子辐照制备的纳米颗粒比仅用传统热溶法制备的纳米颗粒具有更好的催化活性。

　　参考文献:王家跃，Kevin B. Woller, Abinash Kumar，张展，周华，Iradwikanari Waluyo, Adrian Hunt, James M. LeBeaub, Bilge Yildiz, 2023年9月25日，能源与环境科学DOI: 10.1039 / D3EE02448B

　　麻省理工学院论文的其他作者是等离子体科学与聚变中心(PSFC)的首席研究科学家凯文·b·沃勒(Kevin B. Woller)，该中心是离子辐照设备的所在地;Abinash Kumar博士，22岁，获得材料科学与工程系(DMSE)博士学位，现就职于橡树岭国家实验室;以及DMSE副教授詹姆斯·m·勒博(James M. LeBeau)。其他作者包括阿贡国家实验室的张展和周华，以及布鲁克海文国家实验室的伊拉德维卡纳里·瓦鲁约和阿德里安·亨特。

　　这项工作是由OxEon公司和麻省理工学院PSFC资助的。这项研究还使用了美国能源部科学办公室、麻省理工学院材料研究实验室和麻省理工学院纳米研究所提供的资源。这项工作的一部分是在哈佛大学通过一个由美国国家科学基金会资助的网络完成的。

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