团队利用离子辐照设计纳米粒子，以推进清洁能源和燃料转换

麻省理工学院的研究人员及其同事已经展示了一种精确控制纳米颗粒的大小、成分和其他特性的方法，这些纳米颗粒对各种清洁能源和环境技术中涉及的反应至关重要。他们通过利用离子辐照来做到这一点，离子辐照是一种带电粒子束轰击材料的技术。

他们继续表明，以这种方式产生的纳米颗粒比传统制造的纳米颗粒具有优越的性能。

“我们研究的材料可以推进多种技术，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氢原料，”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Bilge Yildiz说。

关键催化剂

燃料和电解槽都涉及通过三个主要部分进行的电化学反应：由电解质隔开的两个电极（阴极和阳极）。两个细胞之间的区别在于所涉及的反应是相反的。

电极上涂有催化剂或材料，使所涉及的反应进行得更快。但是，由金属氧化物材料制成的关键催化剂一直受到包括低耐久性在内的挑战的限制。“金属催化剂颗粒在高温下会变粗，结果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》杂志上的开放获取论文的作者。

进入金属溶液，包括将金属纳米颗粒从主体氧化物中析出到电极表面。这些颗粒将自己嵌入电极中，“这种锚定使它们更加稳定，”Yildiz说。因此，研究人员在他们的论文中写道，解耦“导致了清洁能源转换和节能计算设备的显着进展”。

然而，控制所得纳米颗粒的精确特性一直很困难。“我们知道溶解可以给我们带来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，“该论文的第一作者Jiayue Wang博士说。Wang在麻省理工学院核科学与工程系获得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， PhD ’92，西北大学Walter P. Murphy材料科学与工程教授，没有参与目前的工作，他说：

“金属纳米粒子在一系列反应中充当催化剂，包括分解水以产生氢气用于储能的重要反应。在这项工作中，Yildiz及其同事创造了一种巧妙的方法来控制纳米颗粒的形成方式。

Haile继续说道，“社区已经表明，溶解会产生结构稳定的纳米颗粒，但该过程不容易控制，因此不一定能获得最佳数量的颗粒和大小。利用离子辐照，该小组能够精确控制纳米颗粒的特征，从而产生优异的水分解催化活性。

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，使他们能够控制所得纳米颗粒的几种特性。

“通过离子与物质的相互作用，我们已经成功地设计了溶解纳米颗粒的大小，组成，密度和位置，”该团队在 《能源与环境科学》杂志上写道。

例如，它们可以使颗粒比仅使用传统热溶解方法制造的颗粒小得多 – 直径低至20亿分之一米。此外，他们能够通过用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中证明了这一点。结果，他们展示了一种直接而方便的方法来设计溶解的纳米颗粒的组成。

“我们希望拥有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，”Yildiz说。“通过我们的方法，溶解目标不必依赖于基质氧化物本身。辐照为更多成分打开了大门。“我们几乎可以选择任何氧化物和任何可以照射并溶解的离子，”Yildiz说。

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点，或者为溶解的纳米颗粒生长提供了位置，从而增加了所得纳米颗粒的密度。

辐照还可以对纳米粒子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’书写’来形成特定的纳米结构，”Wang说。“我们对此进行了初步演示，但我们相信它有可能实现控制良好的微纳米结构。

该团队还表明，他们用离子辐照产生的纳米颗粒比仅通过传统热溶解产生的纳米颗粒具有优越的催化活性。

该论文的其他麻省理工学院作者是等离子体科学与聚变中心（PSFC）的首席研究科学家Kevin B. Woller，该中心是用于离子辐照的设备的所在地;Abinash Kumar 博士 ’22，在材料科学与工程系 （DMSE） 获得博士学位，现在在橡树岭国家实验室;以及DMSE的副教授James M. LeBeau。其他作者是阿贡国家实验室的Zhan Zhang和Hua Zhou，以及布鲁克海文国家实验室的Iradwikanari Waluyo和Adrian Hunt。

这项工作由OxEon公司和麻省理工学院的PSFC资助。该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支持的资源。这项工作部分是在哈佛大学通过美国国家科学基金会资助的网络进行的。