Aktuatoren sind übliche Maschinenkomponenten, die Energie in Bewegung umwandeln, wie die Muskeln im menschlichen Körper, Vibratoren in Mobiltelefonen oder Elektromotoren. Ideale Aktormaterialien benötigen gute elektrochemische Eigenschaften, um elektrische Ströme aus fließenden Elektronen wiederholt zu leiten.
Darüber hinaus erfordern Aktormaterialien hervorragende mechanische Eigenschaften, um den physikalischen Belastungen standzuhalten, die mit der kontinuierlichen Bewegung einhergehen. Nanoporöses Platin (np-Pt), eine Platinmatrix mit winzigen Poren zur Verbesserung der Energieleitung, wurde kürzlich in großen Mengen und auf kosteneffiziente Weise hergestellt, was np-Pt zu einem idealen und praktischeren Aktormaterial macht.
Eine Gruppe von Materialwissenschaftlern der Technischen Universität Hamburg stellte ein NP-Pt-Material mit ultrafeinen Bändern her, das aus einem zufälligen, miteinander verbundenen Netzwerk aus sehr feinen Platinsträngen oder Bändern mit einer Größe von nur zwei Nanometern (10-9 m) besteht ) im Durchmesser.
Dieses Netzwerk erzeugt außerdem winzige Poren zwischen den Strängen, was die Bewegung von Elektronen oder geladenen Atomen durch das Material verbessert. Wichtig ist, dass das Team eine effiziente Herstellungsmethode verwendete, die die mit der Synthese eines NP-Pt verbundenen Kosten senkte. Durch die Verringerung des Durchmessers der Pt-Stränge erhöhen sich sowohl das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis als auch die mechanische Stabilität des NP-Pt-Materials, wodurch die Aktorleistung des Materials verbessert wird.
Die Forscher veröffentlichten ihre Studie in Energiematerialien und -geräte.
Im Vergleich zu anderen nanoporösen Metallen und Materialien, die auf ihre potenzielle Verwendung als Aktuatoren untersucht werden, stellte das Team fest, dass np-Pt physikalisch robuster war und sich im Vergleich zu anderen nanoporösen Materialien, die zu zerbrechlich sind, wahrscheinlich gut als Sensor- oder Detektormaterial eignen würde.
„Die feine Ligamentgröße von np-Pt könnte eine vergrößerte Oberfläche bieten, die das Material zu einem vielversprechenden … Katalysator für chemische Reaktionen sowie zu einem Aktuatormaterial macht“, sagte Haonan Sun, Erstautor des Artikels und Forscher in der Forschungsgruppe von Integrierte metallische Nanomaterialsysteme an der Technischen Universität Hamburg. Als Katalysator würde np-Pt die Geschwindigkeit spezifischer chemischer Reaktionen beschleunigen.
Das Einzigartigste an der Studie war die Art und Weise, wie die Forscher das NP-Pt-Material herstellten. „Der wichtigste Durchbruch in dieser Forschung besteht darin, dass wir np-Pt in großen Mengen durch elektrochemische Entlegierung erhalten haben. Frühere Studien zu np-Pt basierten alle auf Nanopartikeln oder Filmen, die mit teureren kommerziellen Pt-Partikeln hergestellt wurden. Also die einfache und kostengünstige Methode der Entlegierung.“ erhöht die Praktikabilität von NP-Pt und ermöglicht weitere Forschung“, sagte Sun.
Insbesondere ist das Entlegieren ein Prozess der selektiven Auslaugung oder Korrosion, bei dem eine Komponente einer Legierung oder Materialmischung selektiv aus dem Material entfernt wird. Vor dem Entlegierungsprozess ist das Material eine einheitliche Mischung. Nach dem selektiven Auslaugungsprozess werden die chemisch aktiveren Mischmaterialien teilweise aus dem Material entfernt, wodurch winzige Poren zurückbleiben.
In diesem Fall wurde np-Pt durch selektives Auslaugen von Kupfer aus einer Platin-Kupfer-Legierung (Pt15Cu85) mit Schwefelsäure (H2SO4) hergestellt.
Auch np-Pt wurde vor dieser Studie noch nie in größeren Mengen hergestellt. Das Forschungsteam schlägt vor, dass die erfolgreiche Leistung von NP-Pt in großen Mengen als Modell für die Entwicklung anderer nanoporöser Metalle dient, die auf ihre Eignung als potenzielle Aktormaterialien, Dehnungssensoren oder chemische Reaktionskatalysatoren untersucht werden könnten.
Nachdem die Leistung des Aktormaterials von NP-Pt ermittelt wurde, freut sich das Team darauf, die Auswirkungen des Materials auf chemische Reaktionen zu bestimmen. „Der nächste Schritt dieser Studie besteht darin, die chemischen Katalysatoreigenschaften unseres NP-Pt zu untersuchen. Wir haben bereits einige sehr interessante Phänomene mit Bulk-NP-Pt bei der Sauerstoffreduktionsreaktion gefunden, bei der Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser kombiniert werden … und das würden wir auch tun.“ Ich würde gerne etwas tiefergehende Forschung dazu betreiben“, sagte Sun.
Mehr Informationen:
Haonan Sun et al., Nanoporöses Platin in großen Mengen zur elektrochemischen Betätigung, Energiematerialien und -geräte (2023). DOI: 10.26599/EMD.2023.9370006
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