Nanodeeltjes kunnen krachtige katalysatoren zijn. Bimetaal nanolegeringen van platina en palladium, bijvoorbeeld, kan helpen bij het genereren van waterstofbrandstof door de elektrochemische afbraak van water te bevorderen. Het identificeren van de meest actieve nanolegering voor een dergelijke taak, echter, blijft een uitdaging; katalytische prestaties hebben rechtstreeks betrekking op de deeltjesstructuur, en experimenten om de atomaire rangschikking van zulke kleine deeltjes vast te stellen zijn moeilijk uit te voeren. Het voorspellen van stabiele structuren van nanolegeringen is nu mogelijk met behulp van een computationele benadering die is ontwikkeld door Teck Leong Tan van het A*STAR Institute of High Performance Computing en zijn collega's. Hun techniek kan ook manieren identificeren waarop de atomaire structuur van het nanodeeltje kan worden afgestemd om de katalytische prestaties te verbeteren.

De uitdaging bij het berekenen van de structuur en eigenschappen van nanolegeringen op basis van de eerste principes is de rekenkracht die het vereist, zegt Tan. Voor hun studie hij en zijn collega's beschouwden een deeltje van een nano-legering van 55 atomen, elke plaats in de structuur wordt gevuld met een palladium- of een platinaatoom. "Er zijn miljoenen mogelijke legeringsconfiguraties, dus het zou rekenkundig onhandelbaar zijn om direct te zoeken met behulp van eerste-principeberekeningen, ' legt Tan uit.

Om het proces beheersbaar te maken, de onderzoekers braken conceptueel het nanodeeltje op in kleine geometrische subeenheden, of clusters. Van eerste principeberekeningen op een set van ongeveer 100 verschillende legeringsstructuren, elk bestaande uit ongeveer 30 clusters, ze genereerden een betrouwbaar model van legeringsgedrag met behulp van een benadering die clusterexpansie wordt genoemd. Van dit model, ze berekenden de eigenschappen van hele nanodeeltjes. "Het model wordt gebruikt om snel door de enorme configuratieruimte te zoeken naar energiezuinige toestanden, ", zegt Tan. Deze lage energietoestanden vertegenwoordigen de stabiele legeringsconfiguraties die experimenteel zouden moeten bestaan ​​(zie afbeelding).

Met behulp van hun berekende stabiele structuren, Tan en zijn collega's voorspelden vervolgens hoe verschillende atomaire conformaties de prestaties van een deeltje als katalysator beïnvloeden. Als modelreactie is de onderzoekers onderzochten de waterstofevolutiereactie, de elektrochemische opwekking van waterstofgas. De resultaten suggereren dat de katalytische activiteit van deeltjes zal toenemen naarmate er meer palladium wordt toegevoegd, omdat deze legering de waterstofbinding op verschillende adsorptieplaatsen op het oppervlak van nanodeeltjes verbetert - nuttige informatie voor het begeleiden van de synthese van nieuwe nanokatalysatoren.

De aanpak moet breed toepasbaar zijn voor nanodeeltjesonderzoek, merkt Tan op. "De clusterexpansiemethode kan over het algemeen worden toegepast op alle legeringssystemen waar structuren en stabiliteiten van belang zijn, " zegt hij. Tan is van plan om de impact te onderzoeken van moleculen die op het oppervlak van een katalysator worden geadsorbeerd. "De aanwezigheid van geadsorbeerde moleculen leidt vaak tot veranderingen in legeringsstructuren, waardoor de katalytische prestaties veranderen, " hij zegt.