Pesquisadores e colegas do MIT demonstraram uma maneira de controlar com precisão o tamanho, a composição e outras propriedades das nanopartículas essenciais para as reações envolvidas em uma variedade de energia limpa e tecnologias ambientais. Eles fizeram isso aproveitando a irradiação iônica, uma técnica na qual feixes de partículas carregadas bombardeiam um material.

Eles mostraram que as nanopartículas criadas desta forma têm desempenho superior em relação às suas contrapartes fabricadas convencionalmente.

“Os materiais nos quais trabalhamos poderiam promover diversas tecnologias, desde células de combustível para gerar eletricidade livre de CO2 até a produção de matérias-primas de hidrogênio limpo para a indústria química [através de células de eletrólise]”, diz Bilge Yildiz, líder do trabalho e um professor nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais do MIT.

As células de combustível e de eletrólise envolvem reações eletroquímicas através de três partes principais: dois eletrodos (um cátodo e um ânodo) separados por um eletrólito. A diferença entre as duas células é que as reações envolvidas ocorrem ao contrário.

Os eletrodos são revestidos com catalisadores, ou materiais que aceleram as reações envolvidas. Mas um catalisador crítico feito de materiais de óxido metálico tem sido limitado por desafios, incluindo baixa durabilidade. “As partículas do catalisador metálico ficam mais grossas em altas temperaturas e, como resultado, você perde área de superfície e atividade”, diz Yildiz, que também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e autor de um artigo de acesso aberto sobre o trabalho publicado no revista Energia e Ciência Ambiental .

Digite a exsolução de metal, que envolve a precipitação de nanopartículas metálicas de um óxido hospedeiro na superfície do eletrodo. As partículas se incorporam ao eletrodo, “e essa ancoragem as torna mais estáveis”, diz Yildiz. Como resultado, a exsolução “levou a um progresso notável na conversão de energia limpa e em dispositivos de computação energeticamente eficientes”, escrevem os investigadores no seu artigo.

No entanto, controlar as propriedades precisas das nanopartículas resultantes tem sido difícil. “Sabemos que a exsolução pode nos fornecer nanopartículas estáveis e ativas, mas o desafio é realmente controlá-la. A novidade deste trabalho é que encontramos uma ferramenta – a irradiação iônica – que pode nos dar esse controle”, diz Jiayue Wang PhD '22, primeiro autor do artigo. Wang, que conduziu o trabalho enquanto fazia seu doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia Nuclear do MIT, agora é pós-doutorado na Universidade de Stanford.

Sossina Haile '86, PhD '92, Professor Walter P. Murphy de Ciência e Engenharia de Materiais da Northwestern University, que não esteve envolvido no trabalho atual, diz:

“As nanopartículas metálicas servem como catalisadores em uma série de reações, incluindo a importante reação de divisão da água para gerar hidrogênio para armazenamento de energia. Neste trabalho, Yildiz e colegas criaram um método engenhoso para controlar a forma como as nanopartículas se formam.”

Haile continua, “a comunidade mostrou que a exsolução resulta em nanopartículas estruturalmente estáveis, mas o processo não é fácil de controlar, portanto não se obtém necessariamente o número e tamanho ideais de partículas. Usando irradiação iônica, este grupo conseguiu controlar com precisão as características das nanopartículas, resultando em excelente atividade catalítica para divisão da água.”

Os pesquisadores descobriram que direcionar um feixe de íons para o eletrodo e, ao mesmo tempo, exsolver nanopartículas metálicas na superfície do eletrodo permitiu-lhes controlar várias propriedades das nanopartículas resultantes.

“Através de interações íon-matéria, projetamos com sucesso o tamanho, a composição, a densidade e a localização das nanopartículas exsolvidas”, escreve a equipe em Energy & Environmental Science .

Por exemplo, eles poderiam tornar as partículas muito menores – até 2 bilionésimos de metro de diâmetro – do que aquelas feitas apenas com métodos convencionais de exsolução térmica. Além disso, eles conseguiram alterar a composição das nanopartículas irradiando-as com elementos específicos. Eles demonstraram isso com um feixe de íons de níquel que implantou níquel na nanopartícula metálica exsolvida. Como resultado, eles demonstraram uma maneira direta e conveniente de projetar a composição de nanopartículas exsolvidas.

“Queremos ter nanopartículas multielementares, ou ligas, porque geralmente têm maior atividade catalítica”, diz Yildiz. “Com a nossa abordagem, o alvo de exsolução não precisa depender do próprio óxido do substrato.” A irradiação abre a porta para muitas outras composições. “Podemos praticamente escolher qualquer óxido e qualquer íon com o qual possamos irradiar e exsolvê-lo”, diz Yildiz.

A equipe também descobriu que a irradiação iônica forma defeitos no próprio eletrodo. E esses defeitos fornecem locais de nucleação adicionais, ou locais para o crescimento das nanopartículas exsolvidas, aumentando a densidade das nanopartículas resultantes.

A irradiação também poderia permitir um controle espacial extremo sobre as nanopartículas. “Como você pode focar o feixe de íons, você pode imaginar que poderia 'escrever' com ele para formar nanoestruturas específicas”, diz Wang. “Fizemos uma demonstração preliminar [disso], mas acreditamos que tem potencial para realizar micro e nanoestruturas bem controladas.”

A equipe também mostrou que as nanopartículas criadas por irradiação iônica tinham atividade catalítica superior àquelas criadas apenas por exsolução térmica convencional.

Outros autores do artigo no MIT são Kevin B. Woller, principal cientista pesquisador do Plasma Science and Fusion Center (PSFC), que abriga o equipamento usado para irradiação de íons; Abinash Kumar PhD '22, que recebeu seu PhD do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE) e agora está no Laboratório Nacional de Oak Ridge; e James M. LeBeau, professor associado em DMSE. Outros autores são Zhan Zhang e Hua Zhou do Laboratório Nacional de Argonne, e Iradwikanari Waluyo e Adrian Hunt do Laboratório Nacional de Brookhaven.

Este trabalho foi financiado pela OxEon Corp. e pelo PSFC do MIT. A pesquisa também utilizou recursos apoiados pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, pelo Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT e pelo MIT.nano. O trabalho foi realizado, em parte, na Universidade de Harvard, através de uma rede financiada pela National Science Foundation.