麻省理工學院的研究人員及其同事展示了一種方法，可以精確控制奈米粒子的尺寸、成分和其他特性，這些粒子是各種清潔能源和環保技術反應的關鍵。他們利用離子輻照技術實現了這個目標。離子輻照是一種用帶電粒子束轟擊材料的技術。這項工作展示了對關鍵特性的控制，用這種方法製造的奈米粒子比傳統方法製造的奈米粒子性能更優越。

藝術家繪製的具有不同成分的奈米粒子，這些粒子是透過金屬外溶解和離子輻照兩種技術組合而成的。不同的顏色代表不同的元素（如鎳），這些元素可以植入外溶解金屬顆粒中，以調整顆粒的成分和反應活性。來源：王佳悅

這項工作的負責人、麻省理工學院核科學與工程系和材料科學與工程系教授比爾格-伊爾迪茲（Bilge Yildiz）說：”我們研究的材料可以推動多項技術的發展，從燃料電池產生無二氧化碳電力，到[透過電解槽]為化學工業生產清潔的氫原料。”

燃料電池和電解池都是透過三個主要部分進行電化學反應：由電解質隔開的兩個電極（陰極和陽極）。這兩種電池的差異在於所涉及的反應是反向的。

電極上塗有催化劑，或說塗有能加快反應速度的材料。但由金屬氧化物材料製成的關鍵催化劑一直受限於耐久性低等難題。Yildiz說：”金屬催化劑顆粒在高溫下會變粗，表面積和活性也會隨之降低，”

Yildiz同時也隸屬於材料研究實驗室，是發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）雜誌上的開放存取論文的作者之一。

金屬外溶解是指將金屬奈米顆粒從主氧化物沉澱到電極表面。Yildiz 說：”顆粒會嵌入電極，這種錨定會使它們更加穩定。因此，外溶解”在清潔能源轉換和高能效計算設備方面取得了顯著進展””。

然而，控制由此產生的奈米粒子的精確特性一直是個難題。”我們知道外溶解可以產生穩定而活躍的奈米粒子，但真正具有挑戰性的是如何控制它。這項工作的新穎之處在於，我們找到了一種工具–離子輻照–可以實現這種控制，”論文第一作者、22 歲的Jiayue Wang 博士說。王佳悅在麻省理工學院核科學與工程系獲得博士學位期間開展了這項工作，現在是史丹佛大學的博士後研究員。

西北大學材料科學與工程系沃爾特-墨菲（Walter P. Murphy）教授Sossina Haile（86 年出生，92 年獲得博士學位）沒有參與目前的研究工作，他介紹說：”金屬奈米粒子在一系列反應中充當催化劑，其中包括重要的分水反應，以產生用於儲能的氫氣。在這項工作中，Yildiz 及其同事創造了一種控制奈米粒子形成方式的巧妙方法。研究界已經證明，外溶解會產生結構穩定的奈米粒子，但這過程並不容易控制，因此不一定能獲得最佳數量和尺寸的粒子。利用離子輻照，研究小組能夠精確控制奈米顆粒的特徵，從而獲得極佳的水分離催化活性”。

研究人員發現，將一束離子瞄準電極，同時將金屬​​奈米粒子溶解到電極表面，可以控制奈米粒子的若干特性。小組在《能源與環境科學》雜誌上寫道：”透過離子與物質的相互作用，我們成功地設計了外溶奈米粒子的大小、成分、密度和位置。”

例如，他們可以使顆粒變得更小–直徑小到20 億分之一公尺–比僅使用傳統熱溶解方法製造的顆粒小得多。此外，他們還能透過照射特定元素來改變奈米粒子的成分。他們用一束鎳離子將鎳植入外溶解的金屬奈米粒子中證明了這一點。因此，他們展示了一種直接、方便的方法來設計外溶解奈米粒子的成分。

Yildiz說：「我們希望獲得多元素奈米粒子或合金，因為它們通常具有更高的催化活性。採用我們的方法，外溶解目標不必依賴基底氧化物本身。輻照為更多成分打開了大門，現在幾乎可以選擇任何氧化物和任何離子進行輻照，然後進行外溶解。”

研究團隊也發現，離子輻照會在電極本身形成缺陷。這些缺陷提供了更多的成核點，或者說為溶出的奈米粒子提供了生長的場所，從而提高了奈米粒子的密度。

輻照還可以實現對奈米粒子的極端空間控制。王說：”因為可以聚焦離子束， 那就可以想像你可以用它’寫’出特定的奈米結構。我們做了一個初步的演示，但我們相信它有潛力實現控制良好的微觀和奈米結構” 。”

研究小組還表明，他們用離子輻照法製造的奈米粒子比傳統的熱溶解法製造的奈米粒子具有更高的催化活性。

編譯來源：ScitechDaily