Gouden nanodeeltjes, zegt Chris Kiely, zijn hard op weg enkele van de meest effectieve diplomaten van de nanowereld te worden.

Ze vergemakkelijken een breed scala aan chemische reacties tussen moleculen die normaal gesproken geen interactie zouden hebben of dat alleen zouden doen bij veel hogere temperaturen.

En in de meeste gevallen ze bewerkstelligen een enkele gunstige uitkomst met weinig, indien van toepassing, ongewenste nevenreacties.

Kortom, zegt Kiely, een professor in materiaalkunde en techniek, de nanodeeltjes zijn buitengewoon goede katalysatoren.

Conventionele methoden voor het bereiden van gouden nanodeeltjes, echter, de morfologie en katalytische activiteit van de deeltjes veranderen.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers heeft een procedure ontwikkeld die de oppervlakteblootstelling van gouden nanodeeltjes en hun katalytische activiteit over een reeks reacties verbetert.

Een nieuwe procedure verbetert de conventie

Het team rapporteerde zijn resultaten in juli in Natuurchemie in een artikel getiteld "Gemakkelijke verwijdering van stabilisator-liganden van ondersteunde gouden nanodeeltjes."

Tot de leden behoren Kiely en Graham Hutchings, een chemicus aan de Cardiff University in Wales in het VK, die al meer dan een decennium samen nanogold hebben bestudeerd.

“In de industrie " zegt Kiely, "de meest gebruikelijke manier om gouden nanokatalysatoren te bereiden, is om eerst een nanokristallijne oxidedrager te impregneren, zoals titaniumoxide (TiO2) met chloorgoudzuur. Een reductiereactie zet het zuur vervolgens om in metalen nanodeeltjes.

“Helaas, dit leidt ertoe dat een verscheidenheid aan goudsoorten op de drager wordt verspreid, zoals geïsoleerde goudatomen, mono- en dubbellaagse clusters, naast nanodeeltjes van verschillende groottes.”

Een alternatieve techniek die een nauwkeurigere controle over de deeltjesgrootte en structuur mogelijk maakt, is om de gouden nanodeeltjes voor te vormen in een colloïdale oplossing voordat ze op de drager worden gedeponeerd.

Het nadeel van deze methode is dat de nanodeeltjes tijdens de fabricage worden gecoat met organische moleculen – liganden – die voorkomen dat ze samenklonteren. Zodra ze op een drager zijn gestort, deze liganden hebben de neiging de katalytische prestaties van het nanodeeltje te verminderen door de benadering van moleculen naar actieve plaatsen op het metaaloppervlak te blokkeren.

Een mildere vorm van ligandverwijdering

Eerdere methoden voor het verwijderen van deze liganden waren warmtebehandelingen tot 400 ° C.

“Bij deze temperaturen verandert de morfologie van de nanodeeltjes en beginnen ze samen te smelten, ' zegt Kiely. "Er is ook een significante afname van hun katalytische activiteit."

Het team van Kiely-Hutchings ontwikkelde een milder alternatief voor het verwijderen van de liganden uit met polyvinylalcohol gestabiliseerde gouden nanodeeltjes die zijn afgezet op een titaniumoxidedrager - een eenvoudige wasbeurt met heet water.

Afgestudeerde student Ramchandra Tiruvalam gebruikte Lehigh's aberratie-gecorrigeerde JEOL 2200 FS transmissie-elektronenmicroscoop om de katalysatoren voor en na het wassen te onderzoeken en te vergelijken met die welke een warmtebehandeling hadden ondergaan om de liganden te verwijderen.

“Wassen met heet water had weinig effect op de deeltjesgrootte, " zegt Kiely, die het Nanocharacterization Laboratory van Lehigh leidt, “en terwijl de deeltjes hun cub-octaëdrische morfologie behouden, hun oppervlakken lijken duidelijker gefacetteerd te worden. Dit is vermoedelijk te wijten aan een oppervlaktereconstructie die optreedt na het verlies van een aanzienlijk deel van de beschermende PVA-liganden."

“Het verwarmen van de monsters tot 400 graden Celsius was ook effectief bij het verwijderen van de liganden, maar de gemiddelde deeltjesgrootte nam toe van 3,7 tot 10,4 nm, ' zegt Kiely. “Er was ook een neiging van de deeltjes om te herstructureren en zich platter te ontwikkelen, meer uitgebreide interfaces met de onderliggende TiO2-ondersteuning.”

Voor de oxidatie van koolmonoxide tot kooldioxide, katalysatoren bereid door deze colloïdale/heetwaterwassing vertoonden meer dan het dubbele van de activiteit van conventionele goud/TiO2-katalysatoren. Deze specifieke reactie is cruciaal voor de verwijdering van koolmonoxide uit besloten ruimten zoals onderzeeërs en ruimtevaartuigen, verlenging van de levensduur van brandstofcellen, en verlenging van de bruikbare levensduur van een brandweermasker.

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation. Tiruvalam is nu onderzoekswetenschapper bij Haldor Topsoe, een katalysatorbedrijf in Kopenhagen, Denemarken.