Размер нанокристаллов определяет их обращение с газами

Более эффективные каталитические конвертеры на автомобилях, улучшенные батареи и более чувствительные газовые датчики.

Это лишь некоторые из возможных льгот новой системы, способной непосредственно измерять выпуск и поглощение нанокристаллами водорода и других газов.

Технология, разработанная доцентом Рицией Бардхан из университета Вандербильта, описана в издании Nature Materials.

За прошлые 30 лет было проведено множество исследований нанокристаллов — крошечных кристаллов размером 1-100 нанометров. Ученые ожидали открыть уникальные физические и химические свойства, которые могут использоваться в широком диапазоне применений.

Один класс использования зависит от способности нанокристалла захватывать определенные молекулы и частицы воздуха, удерживать их и затем выделять: процессы эти носят название абсорбции и десорбции. Прогрессу в данной области мешали ограничения существующих методов для измерения физических и химических изменений, которые имеют место в отдельных нанокристаллах в ходе процесса. В итоге продвижений удалось достичь эмпирическим путем, и они были ограничены спроектированными образцами и специфическими геометриями.

«Наша технология простая, прямая и использует простые инструменты, а потому у других исследователей не должно возникнуть трудностей с ее использованием», сказала Бардхан.

Метод основан на стандартной процедуре под названием флуоресцентная спектроскопия. Лазерный луч фокусируется на нанокристаллах, вызывая их свечение. Поскольку нанокристаллы поглощают газовые молекулы, их свечение тускнеет, а с выделением молекул газа восстанавливается.

«Эффект флюоресценции весьма тонок и чувствителен к различиям в размере нанокристаллов», пояснила Бардхан. „Чтобы увидеть это, следует использовать однородные по размеру нанокристаллы“. Это одна из причин, по которой эффект не наблюдался прежде: широко используемые методы производят нанокристаллы разных размеров. Даже самых незначительных различий оказалось достаточно, чтобы замаскировать эффект.

Для испытания технологии ученые исследовали идентификацию водорода с помощью нанокристаллов палладия. На палладий выбор пал потому, что он стабилен и хорошо выпускает поглощенный водород. Последний применялся вследствие потенциального использования его в качестве альтернативного топлива, замены для бензина.

Измерения показали, что размер нанокристаллов имеет намного более сильный эффект на уровень адсорбции и выделения материалом водорода, чем ожидалось. Чем меньше размер частиц, тем скорее материал поглощает газ, тем больше объем газа, который материал может поглотить, и тем быстрее скорость его выделения.

07.08.2013