Het beheersen van de vormen van katalytische en elektrokatalytische deeltjes ter grootte van nanometers gemaakt van edele metalen zoals platina en palladium kan ingewikkelder zijn dan eerder werd gedacht.

Met behulp van systematische experimenten, onderzoekers hebben onderzocht hoe oppervlaktediffusie - een proces waarbij atomen op nanoschaaloppervlakken van de ene plaats naar de andere gaan - de uiteindelijke vorm van de deeltjes beïnvloedt. De kwestie is belangrijk voor een breed scala aan toepassingen die specifieke vormen gebruiken om de activiteit en selectiviteit van nanodeeltjes te optimaliseren, inclusief katalysatoren, brandstofceltechnologie, chemische katalyse en plasmonica.

Resultaten van het onderzoek zouden kunnen leiden tot een beter begrip van hoe het diffusieproces kan worden beheerd door de reactietemperatuur en depositiesnelheid te beheersen, of door het introduceren van structurele barrières die zijn ontworpen om de oppervlaktebeweging van atomen te belemmeren.

"We willen de synthese kunnen ontwerpen om nanodeeltjes te produceren met de exacte vorm die we willen voor elke specifieke toepassing, " zei Younan Xia, een professor in de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University. "Fundamenteel, het is belangrijk om te begrijpen hoe deze vormen worden gevormd, om te visualiseren hoe dit gebeurt op structuren over een lengteschaal van ongeveer 100 atomen."

Het onderzoek werd op 8 april gerapporteerd in de vroege online editie van het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ). Het onderzoek werd gesponsord door de National Science Foundation (NSF).

Het beheersen van de vorm van nanodeeltjes is belangrijk bij katalyse en andere toepassingen die het gebruik van dure edelmetalen zoals platina en palladium vereisen. Bijvoorbeeld, het optimaliseren van de vorm van platina-nanodeeltjes kan hun katalytische activiteit aanzienlijk verbeteren, het verminderen van de vraag naar het kostbare materiaal, merkte Xia op, die een eminente geleerde van de Georgia Research Alliance (GRA) in nanogeneeskunde is. Xia heeft ook gezamenlijke benoemingen in de School of Chemistry and Biochemistry en de School of Chemical and Biomolecular Engineering van Georgia Tech.

"Het beheersen van de vorm is erg belangrijk voor het afstemmen van de activiteit van katalysatoren en voor het minimaliseren van de belading van de katalysatoren, " zei hij. "Vormcontrole is ook erg belangrijk in plasmonische toepassingen, waarbij de vorm bepaalt waar optische absorptie- en verstrooiingspieken worden gepositioneerd. Vorm is ook belangrijk om te bepalen waar de elektrische ladingen zullen worden geconcentreerd op nanodeeltjes."

Hoewel het belang van deeltjesvorm op nanoschaal algemeen bekend is, onderzoekers hadden niet eerder het belang van oppervlaktediffusie begrepen bij het creëren van de uiteindelijke deeltjesvorm. Atomen toevoegen aan de hoeken van platina-kubussen, bijvoorbeeld, kan deeltjes creëren met uitstekende "armen" die de katalytische activiteit verhogen. Convexe oppervlakken op kubusvormige deeltjes kunnen ook betere prestaties leveren. Maar die voordelige vormen moeten gecreëerd en onderhouden worden.

Natuurlijke energetische voorkeuren met betrekking tot de rangschikking van atomen op de kleine structuren geven de voorkeur aan een bolvorm die niet ideaal is voor de meeste katalysatoren, brandstofcellen en andere toepassingen.

In hun onderzoek hebben Xia en zijn medewerkers varieerden de temperatuur van het proces dat werd gebruikt om atomen af ​​te zetten op metalen nanokristallen die als zaden voor de nanodeeltjes fungeerden. Ze varieerden ook de snelheden waarmee atomen op de oppervlakken werden afgezet, die werden bepaald door de injectiesnelheid waarmee een chemisch voorlopermateriaal werd geïntroduceerd. De diffusiesnelheid wordt bepaald door de temperatuur, met hogere temperaturen waardoor de atomen sneller kunnen bewegen op de nanodeeltjesoppervlakken. In het onderzoek, bromide-ionen werden gebruikt om de beweging van de toegevoegde atomen van het ene deel van het deeltje naar het andere te beperken.

Met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, de onderzoekers observeerden de structuren die onder verschillende omstandigheden werden gevormd. uiteindelijk, ze ontdekten dat de verhouding van de depositiesnelheid tot de diffusiesnelheid de uiteindelijke vorm bepaalt. Wanneer de verhouding groter is dan één, de geadsorbeerde atomen hebben de neiging om te blijven waar ze zijn geplaatst. Als de verhouding kleiner is dan één, ze hebben de neiging om te bewegen.

"Tenzij de atoomreactie op het absolute nulpunt is, je zult altijd wat diffusie hebben, " zei Xia, die de Brock Family Chair bekleedt bij de afdeling Biomedical Engineering. "Maar als je atomen aan het oppervlak kunt toevoegen op de plaatsen waar je ze wilt, sneller dan ze kunnen diffunderen, je kunt de eindbestemming voor de atomen bepalen."

Xia gelooft dat het onderzoek ook kan leiden tot verbeterde technieken om de unieke vormen van nanodeeltjes te behouden, zelfs bij hoge bedrijfstemperaturen.

"Fundamenteel, het is erg handig voor mensen om te weten hoe deze vormen worden gevormd, " zei hij. "De meeste van deze structuren waren eerder waargenomen, maar mensen begrepen niet waarom ze zich onder bepaalde omstandigheden vormden. Om dat te doen, we moeten kunnen visualiseren wat er op deze kleine structuren gebeurt."

Xia's onderzoeksteam bestudeerde ook de impact van diffusie op bimetaaldeeltjes bestaande uit zowel palladium als platina. De combinatie kan bepaalde eigenschappen versterken, en omdat palladium momenteel goedkoper is dan platina, het gebruik van een kern van palladium bedekt met een dunne laag platina zorgt voor de katalytische activiteit van platina terwijl de kosten worden verlaagd.

In dat geval, oppervlaktediffusie kan nuttig zijn bij het bedekken van het palladiumoppervlak met een enkele monolaag van het platina. Alleen de platina-atomen aan het oppervlak kunnen de katalytische eigenschappen leveren, terwijl de palladiumkern alleen als ondersteuning dient.

Het onderzoek maakt deel uit van een langetermijnonderzoek naar katalytische nanodeeltjes dat wordt uitgevoerd door de onderzoeksgroep van Xia. Andere aspecten van het werk van het team hebben betrekking op biomedische toepassingen van nanodeeltjes op gebieden als kankertherapie.

"We zijn erg enthousiast over dit resultaat omdat het generiek is en kan worden toegepast om diffusie op de oppervlakken van veel systemen te begrijpen en te beheersen, " voegde Xia toe. "Uiteindelijk willen we zien hoe we van deze diffusie kunnen profiteren om de katalytische en optische eigenschappen van deze nanodeeltjes te verbeteren."