MIT改变游戏规则:离子辐照在可持续能源纳米粒子工程中的应用

诸平

Artist’s representation of nanoparticles with different compositions created by combining two techniques: metal exsolution and ion irradiation. The different colors represent different elements, such as nickel, that can be implanted into an exsolved metal particle to tailor the particle’s compositions and reactivity. Credit: Jiayue Wang 

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT, Cambridge, MA, USA）材料研究实验室（MIT Materials Research Laboratory）2024年1月7日提供的消息，麻省理工学院(MIT)改变游戏规则:离子辐照在可持续能源纳米粒子工程中的应用（MIT’s Game-Changer: Ion Irradiation in Nanoparticle Engineering for Sustainable Energy）。这项工作证明了对关键属性的控制可以带来更好的性能。

MIT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(ion irradiation)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。他们还证明了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。相关研究结果于2023年9月25日已经在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志网站发表——Jiayue Wang, Kevin B. Woller, Abinash Kumar, Zhan Zhang, Hua Zhou, Iradwikanari Waluyo, Adrian Hunt, James M. LeBeaub, Bilge Yildiz. Ion irradiation to control size, composition and dispersion of metal nanoparticle exsolution. Energy & Environmental Science, 2023, 16: 5464-5478. DOI: 10.1039/D3EE02448B. First published 25 September 2023. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/EE/D3EE02448B

参与此项研究的除了来自美国MIT的研究人员之外，还有来自美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA)以及美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory, Upton, NY, USA）的研究人员。

麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系（MIT’s departments of Nuclear Science and Engineering and Materials Science and Engineering）的教授比尔盖·耶尔迪兹（Bilge Yildiz）说:“我们研究的材料可以推进几项技术，从产生无二氧化碳电力的燃料电池到为化学工业(通过电解电池)生产清洁的氢原料。”

关键催化剂（Critical Catalyst）

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)。这两种电池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。

隶属麻省理工学院材料研究实验室、而且是上述论文的通讯作者的比尔盖·耶尔迪兹教授说：“金属催化剂颗粒在高温下会变得粗糙，因此会失去表面积和活性。”

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。比尔盖·耶尔迪兹说，“这些粒子将自己嵌入电极中，这种锚定使它们更加稳定。”研究人员在他们的论文中写道，因此，出溶作用（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(Challenges in Nanoparticle Control)

然而，控制所得到的纳米颗粒的精确性质一直很困难。“我们知道溶出（exsolution）可以给我们稳定和活跃的纳米颗粒，但真正具有挑战性的部分是如何对其进行控制。这项工作的新颖之处在于，我们发现了一种离子辐照工具，可以让我们控制这种情况，”该论文的第一作者、2022届博士王佳悦（Jiayue Wang音译）说。王佳悦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，现在是美国斯坦福大学（Stanford University）的博士后。

没有参与目前工作的美国西北大学材料科学与工程教授（Walter P. Murphy Professor of Materials Science and Engineering at Northwestern University）索斯纳·海尔（Sossina Haile）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，比尔盖·耶尔迪兹和他的同事创造了一种巧妙的方法来控制纳米颗粒的形成方式。”

索斯纳·海尔继续说道，“学界已经证明，脱溶（exsolution）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的颗粒数量和大小。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。”

他们做过什么（What They Did）

研究人员发现，将一束离子对准电极，同时将金属纳米粒子脱溶到电极表面，可以控制纳米粒子的几个特性。

“通过离子与物质的相互作用，我们已经成功地设计出了溶出纳米颗粒的大小、组成、密度和位置，”研究小组在《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）杂志上发表的论文中写道。

例如，他们可以使颗粒更小，直径只有2 nm，比单独使用传统热溶方法制造的颗粒小得多。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。

比尔盖·耶尔迪兹说：“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。用我们的方法，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。“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。王佳悦说：“因为你可以聚焦离子束，你可以想象用其来书写，形成特定的纳米结构。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结构和纳米结构。”

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。

这项研究是由OxEon公司（OxEon Corp.）和麻省理工学院PSFC（MIT’s PSFC）共同资助的。该研究还利用了美国能源部科学办公室（U.S. Department of Energy Office of Science）、麻省理工学院材料研究实验室（MIT’s Materials Research Laboratory）、麻省理工学院纳米研究所（MIT.nano）提供的资源。这项工作的一部分是在美国哈佛大学（Harvard University）通过一个由美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助的网络完成的。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Nano-engineered oxides play a frontier role in the development of next-generation catalysts and microelectronics. Recently, metal exsolution from oxides has emerged as a promising nano-structuring tool to fabricate nanoparticle-decorated oxides. However, controlling the size, density, composition, and location of exsolved nanoparticles remains a challenge, limiting the ultimate performance achievable by these nanostructures. Here, we present ion irradiation as a general platform to allow control over these parameters during metal nanoparticle exsolution, by simultaneous sputtering, implantation, and defect generation mechanisms. Using thin-film perovskite and binary oxides as model systems, we showed ion beams can controllably reduce the size of exsolved nanoparticles down to 2 nm through ion sputtering. Meanwhile, we tailored the exsolved nanoparticle composition from unitary metal to metal alloy via ion implantation. Furthermore, irradiation creates point defects and defect clusters, which serve as nucleation sites for metal exsolution. By leveraging this process, we tuned the density and spatial distribution of exsolved nanoparticles. Finally, we demonstrated that nanocatalysts prepared by irradiation-assisted exsolution exhibit superior catalytic activity toward water-splitting reactions than those produced using conventional exsolution methods. These findings highlight the potential of ion irradiation for engineering nanoparticle exsolution in diverse materials systems, with broad implications for electrochemical and electronic applications.