(Phys.org) — Voor de productie van duurzame energie zijn materialen nodig met specifieke fysische en chemische eigenschappen die worden bepaald door de grootte en elektrische lading van kleine metaaldeeltjes, en wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory hebben ontdekt hoe beide eigenschappen nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. Vaste katalysatoren zijn meestal gemaakt van kleine metalen clusters die op een ondersteunend materiaal zijn gedispergeerd. Om de clusters op de ondersteuning effectiever te verdelen, een laag "draderige" moleculen kan worden gebruikt om de clusters aan het oppervlak te binden. Het PNNL-team ontdekte dat de eigenschappen van deze snaren het aantal ladingen bepalen dat wordt gedragen door de katalytische clusters die bovenop de laag zijn verspreid.

"Als je katalysatoren ontwikkelt, lading zaken, " zei dr. Julia Laskin, een fysisch chemicus bij PNNL die dit onderzoek leidde. "We hebben betere hulpmiddelen nodig om de ladingstoestanden van katalytische moleculen op oppervlakken te meten."

Katalysatoren zijn ingewikkelde materialen die zijn ontworpen om de efficiëntie te verhogen en het afval te verminderen dat gepaard gaat met het maken van producten zoals brandstoffen, kunststoffen en farmaceutica. Door katalysatoren te verbeteren, kunnen brandstoffen en andere materialen worden gemaakt met minder energie en minder afval. Huidige vaste katalysatoren die inwerken op vloeibare of gasvormige reagentia zijn vaak samengesteld uit slecht gedefinieerde metalen nanodeeltjes die willekeurig zijn verspreid op ondersteunende materialen met een groot oppervlak. In tegenstelling tot, de volgende generatie katalysatoren zal worden geformuleerd uit gecontroleerde mesoschaalassemblages van metaalclusters met eigenschappen die afhankelijk zijn van het aantal metaalatomen en de ladingstoestand. Om goed gedefinieerde metaalclusters te assembleren tot mesoschaalstructuren voor katalyse, technieken nodig zijn die nauwkeurige controle over de grootte, laadtoestand, en dichtheid van metalen clusters op oppervlakken.

"Onze aanpak biedt atoom-voor-atoom controle van de grootte en elektron-voor-elektron controle van de ladingstoestand van metaalclusters op oppervlakken, " zei dr. Grant Johnson, een fysisch chemicus die betrokken was bij de studie en voormalig Linus Pauling Fellow die onlangs als fulltime wetenschapper bij het laboratorium kwam.

Bij het ontwerpen van katalysatoren of andere energiegerelateerde materialen, een cook and look-benadering wordt vaak gebruikt. Wetenschappers nemen waarschijnlijke materialen en combinaties, expertise en intuïtie toepassen, en synthetiseer de nieuwe materialen die nodig zijn. Dit proces is duur en tijdrovend. Fundamentele kennis en atomair nauwkeurige controle zijn nodig om rationeel de materialen te ontwerpen die wetenschappers willen. Voer het PNNL-team in.

Het onderzoek bestaat uit twee delen:synthese van de metaalclusters en zachte landing van op grootte geselecteerde clusters op oppervlakken. De clusters die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn drievoudig geladen positieve ionen (+3) met een diameter van minder dan 1 nanometer. Ze bevatten precies 11 goudatomen.

"De grootste uitdaging was niet de synthese, maar de karakterisering - uitzoeken hoeveel ladingen de clusters behouden nadat ze zacht op oppervlakken zijn geland, " zei Thomas Priester, een stagiaire die aan de studie heeft meegewerkt. "Het is best spannend om te zien hoe verschillend ze zijn, afhankelijk van de eigenschappen van het oppervlak." Priester, die tweede auteur was van twee tijdschriftartikelen waarin tijdens zijn stage onderzoek werd beschreven, de oplossingen van gouden clusters gesynthetiseerd. Priest werkt nu aan zijn master in engineering aan de Universiteit van Louisville.

De oppervlakken waarop de gouden clusters zijn afgezet, zijn een basis van goud met een monolaag van moleculen die een koolwaterstofketen bevatten en eindigen met een andere functionele groep, zoals -CH ₃ , -CF ₃ of -COOH. Door de terminale functionele groep te variëren, de polariteit van de moleculen werd afgesteld van weinig tot extreem. De polariteit van de moleculen bepaalt de neiging van de monolaag om elektronen te tunnelen bij een bepaalde potentiaal.

Het tunnelen van elektronen door de laag heeft een sterk effect op de lading van meervoudig geladen clusterionen op zachte landingen op het oppervlak. Bijvoorbeeld, wanneer een mild polaire monolaag op koolwaterstofbasis wordt gebruikt, de zacht gelande 3+ gouden clusters krijgen tot drie elektronen van het oppervlak, daardoor neutraal worden. In tegenstelling tot, op het zeer polaire, op fluor gebaseerde oppervlak, de gouden clusters behouden hun 3+ lading, geen elektronen van het oppervlak krijgen. De polaire moleculen in de monolaag introduceren een interface-dipool, in wezen een ladingsbarrière tussen het oppervlak en het cluster.

Naar aanleiding van deze ontdekking, de onderzoekers gingen verder om te zien of het bedekken van het oppervlak in een dichtere laag van meervoudig geladen goudclusters de ladingen van de clusters veranderde. Vanuit het oogpunt van lading, het hele resultaat veranderde plotseling. Op het op fluor gebaseerde oppervlak in de eerdere experimenten, alle clusters behielden hun +3-lading. Nutsvoorzieningen, het oppervlak had een centrum van gouden clusters met een +1 lading en, aan de randen, de clusters waren overwegend +2 en +3.

Waarom is dit gebeurd?

"Het grotere aantal meervoudig geladen clusters dat op het oppervlak werd afgezet, bouwde een voldoende potentiaal op om de elektronen van het oppervlak naar de gouden clusters te laten tunnelen, waardoor hun laadtoestand wordt verminderd, ", legde Johnson uit. "Begrijpen hoe deze tunnelbarrières worden afgebroken, geeft wetenschappers de kennis die ze nodig hebben om de ladingen van het materiaal te beheersen."

Laskin en Johnson gebruiken deze kennis nu om gespecialiseerde mesoschaalarrays van goed gedefinieerde metaalclusters op oppervlakken te maken. Deze arrays kunnen toepassingen hebben in brandstofcellen, en efficiënte energiebronnen.