Een vormingsmechanisme van nanokristallijn ceriumdioxide (CeO2), een veelzijdig nanomateriaal, is onthuld door wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Universiteit van New South Wales in Sydney, Australië. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Chemie – Een Europees tijdschrift . Deze bevinding vereenvoudigt en verlicht mogelijk de bestaande synthetische processen van de productie van nanokristallijn CeO2.

Nanokristallijne CeO2-deeltjes worden veel gebruikt, bijvoorbeeld, in katalysatoren voor de behandeling van gevaarlijke gassen, in elektroden voor vaste oxide brandstofcellen, in polijstmaterialen voor geavanceerde geïntegreerde schakelingen, in zonnebrandcosmetica, en in dergelijke medische toepassingen zoals kunstmatige superoxide-dismutase. Huidige industriële syntheses van nanokristallijn CeO2 zijn gebaseerd op sol-gel-processen gevolgd door thermische behandeling en/of toevoeging van versneller. Elke verdere verbetering van de synthesestrategie voor CeO2-nanokristallen vereist een beter begrip van de mechanismen die betrokken zijn bij hun vorming op atomaire schaal.

Dr. Atsushi Ikeda-Ohno van de Universiteit van New South Wales, Australië, samen met Dr. Christoph Hennig van de HZDR gekozen voor een geavanceerde multi-spectroscopische benadering die dynamische lichtverstrooiing en op synchrotron gebaseerde röntgentechnieken combineert. Deze complexe onderzoeken omvatten het gebruik van twee toonaangevende synchrotronfaciliteiten van de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk, en SPring-8 in Hyogo, Japan.

Live bewaking

Voor de eerste keer ooit, de wetenschappers waren in staat om een ​​in-situ observatie van de evolutie van nanokristallen uit te voeren. Tot dusver, er is weinig bekend over het vormingsmechanisme van metalen nanokristallen; vooral omdat geschikte analytische technieken ontbraken. De meest gebruikte technieken voor onderzoek naar metalen nanokristallen zijn elektronenmicroscopie en röntgendiffractie. Ze zijn krachtig genoeg om het uiterlijk van nanokristallen te visualiseren en om hun roosterinformatie te verkrijgen, maar ze zijn niet van toepassing op de oplossingstoestand waar de evolutie van metalen nanokristallen plaatsvindt. "Om de vorming van nanokristallijn CeO2 in een waterige oplossing te onderzoeken, we combineerden verschillende spectroscopische technieken, inclusief dynamische lichtverstrooiing, synchrotron Röntgenabsorptiespectroscopie, en hoogenergetische röntgenverstrooiing, " zegt Dr. Atsushi Ikeda-Ohno.

De informatie die de onderzoekers hebben verkregen, is van fundamenteel belang om het syntheseproces van CeO2-nanokristallen te vereenvoudigen en te verlichten. Ze onthulden dat nanodeeltjes van uniforme grootte van CeO2 eenvoudig kunnen worden geproduceerd door pH-aanpassing van vierwaardig cerium (Ce(IV)) in een waterige oplossing zonder daaropvolgende fysische/chemische behandeling zoals verwarming of toevoeging van versnellerchemicaliën. De geproduceerde CeO2-kristallen hebben een uniforme deeltjesgrootte van 2 - 3 nanometer, ongeacht de bereidingsomstandigheden (bijv. pH en type pH-aanpassing). Deze deeltjesgrootte ligt precies in het bereik dat interessant is voor industriële toepassingen. Een belangrijke bevinding is dat mononucleaire Ce(IV)-oplossingssoorten niet resulteren in CeO2-kristallen van nanogrootte. De voorwaarde is de aanwezigheid van oligomere Ce(IV)-oplossingssoorten, zoals dimeren of trimeren.

"We zijn inderdaad erg blij dat onze multi-spectroscopische benadering ook toepasbaar is op elk ander onderzoek naar metalen nanokristallen. Daarom draagt ​​deze studie bij aan een opkomend onderzoeksgebied op metalen nanokristallen in een bredere context, " zegt Dr. Christoph Hennig. "En het eigen meetstation van de HZDR bij de ESRF biedt de best mogelijke kansen voor dit onderzoeksgebied van metalen nanokristallen dat direct bijdraagt ​​aan industriële toepassingen."